Fakultas Ilmu Komputer
Universitas Brawijaya
807
Implementasi Sinkronisasi Waktu Antar Bluetooth Low Energy Device
menggunakan Metode Timing-Sync Protocol for Sensor Network
Muhammad Fachri Hasibuan1, Agung Setia Budi2, Rakhmadhany Primananda3
Program Studi Teknik Komputer, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya Email: 1[email protected], 2[email protected], 3[email protected]
Abstrak
Perkembangan teknologi mendorong penggunaan jaringan nirkabel dan sistem Wireless Sensor Network semakin banyak. Permasalahan dari teknologi Wireless Network adalah perbedaan waktu antara node satu dengan node lainnya, pada WSN tiap node berkomunikasi dengan frekuensi yang sama akan tetapi memiliki waktu lokal yang berbeda maka dari itu perlu ada nya sinkronisasi waktu. Sinkronisasi waktu adalah metode untuk mensinkronkan waktu pada node yang berada di sebuah jaringan. Terdapat beberapa jenis sinkronisasi waktu, namun pada penelitian ini berfokus pada metode Timing-sync Protocol for Sensor Network (TPSN) yang di implementasikan melalui jaringan nirkabel menggunakan komunikasi Bluetooth Low Energy (BLE). Kelebihan dari Bluetooth Low Energy adalah penggunaan daya yang rendah dan efisien, kecepatan pengiriman data hingga 1Mb/s serta mempunyai potensi teknologi yang terus berkembang. Penggunaan Bluetooth Low Energy Penelitian terdiri dari 3 nodes yang terbagi atas 1 server dan 2 client. sistem ini menggunakan ESP 32 sebagai mikrokontroller untuk pemrosesan data dan penggunaan Real Time Clock (RTC) sebagai penghitung waktu pada tiap nodes. Node server berfungsi sebagai tempat pertukaran data, dan sebagai root node. Node client akan meminta request untuk sinkronisasi ke server dan server akan memberikan waktu lokalnya sebagai waktu referensi. Dari hasil implementasi, didapatkan data pengujian error yang dilakukan sebanyak 30 kali dengan hasil nilai rata-rata error sebesar 10.36ms dan pengujian sinkronisasi sekaligus waktu komputasi sebanyak 10 kali dengan nilai rata-rata Offset akurasi yaitu 2.65ms dan Propagation Delay 16.85ms. Hasil pengujian juga menilai waktu komputasi pada saat sinkronisasi dengan menghitung timestamp didapatkan nilai rata-rata komputasi 102.3ms.
Kata kunci: Wireless Sensor Network, BLE, TPSN, Real Time Clock Abstract
Technological developments encourage the use of wireless networks and Wireless Sensor Network systems more and more. However, The problem with Wireless Network technology is the time difference between one node and another, on WSN each node communicates with the same frequency but has different local times, therefore there is a need for time synchronization. Time synchronization is a method for synchronizing the time on nodes on a network. There are several types of time synchronization, but this research focuses on the Timing-sync Protocol for Sensor Network (TPSN) method which is implemented over a wireless network using Bluetooth Low Energy (BLE) communication. The advantages of Bluetooth Low Energy are low power usage and efficiency, data transmission speeds of up to 1Mb / s and the potential for technology that continues to grow. This research using 3 BLE nodes which divided into 1 Server and 2 clients. This system uses ESP 32 as a microcontroller for data processing and Real Time Clock (RTC) as a timer for each nodes. The server node functions as a data exchange, and as the root node. The client node will request a request for synchronization to the server and the server will provide its local time as the reference time. From the implementation results, the error test data was obtained 30 times with the results of an average error value of 10.36 ms and synchronization testing as well as computation time was obtained 10 times with an average value of accuracy offset of 2.65 ms and Propagation Delay 16.85 ms, the computational average value is 102.3ms.
1. PENDAHULUAN
Wireless Sensor Network (WSN) memiliki potensi besar didalam bidang jaringan komputer. Para peneliti melihat Wireless Sensor sebagai sesuatu yang menarik didalam jaringan nirkabel. Sebuah sistem nirkabel berdaya rendah dengan cpu dan memori yang kecil yang dapat melakukan sensing pada lingkungan (Welsh, et al. 2004). WSN memiliki beragam tujuan, fungsi, dan kemampuan. Dorongan kemajuan teknologi terbaru dan banyak pengaplikasian potensial menjadi tuntutan dalam bidang WSN. (Sohraby, Minoli and Znati 2007). Dalam penelitian ini penulis menggunakan Bluetooth Low Energy (BLE) sebagai media komunikasi yang memiliki potensi besar dimasa depan.
Permasalah dari teknologi Wireless Network adalah perbedaan waktu antara node satu dengan node lainnya, pada WSN tiap node berkomunikasi dengan frekuensi yang sama akan tetapi memiliki waktu lokal yang berbeda. Dalam jaringan komputer modern, sinkronisasi waktu merupakan hal yang sangat penting pada aspek perencanaan, pengamanan, pengelolaan, dan debugging jaringan melibatkan penentuan kapan peristiwa akan terjadi. Dengan begitu maka semua aspek tersebut tidak berjalan secara bersamaan, sehingga menyebabkan kesulitan untuk menganalisa peristiwa yang terjadi pada jaringan. Maka dari itu pentingnya ada sinkronisasi waktu adalah memungkinkan sebuah peristiwa terjadi di waktu yang tepat dan kemudian dengan ini, user dapat menjadwalkan proses dan memastikan bahwa proses tersebut dimulai atau berhenti pada waktu yang telah ditentukan dengan tepat waktu dan juga berjalan untuk periode waktur tertentu dari dimulainya atau berhentinya peristiwa. Karena setiap node dalam jaringan sensor beroperasi secara independent dan bergantung pada jam nya sendiri, maka pembacaan jam berbeda pada setiap node. Oleh karena pada itu sinkronisasi waktu (clock) diperlukan untuk memastikan bahwa setiap node sensor dapat berjalan di waktu yang sama (Sundararaman, et al., 2005).. Terdapat banyak metode sinkronisasi seperti Flooding Time Synchronization Protocol (FTSP), Lightweight Tree-Based Synchronization (LTS), Reference Broadcast Synchronization (RBS), Timing-sync Protocol for Sensor Networks (TPSN), Pada penelitian ini, penulis melakukan implementasi metode sinkronisasi waktu antar Bluetooth Low Energy
dengan menggunakan metode Timing-sync Protocol for Sensor Network. Menggunakan ESP 32 sebagai mikrokontroller dan RTC untuk penghitung waktu. Sistem akan terbagi menjadi Server dan Client. proses sinkronisasi akan dilakukan ketika client mengirim request sinkronisasi ke Server dan kemudian server mengirimkan ACK berisikan waktu lokalnya sebagai waktu referensi oleh client. kelebihan dari metode ini adalah meminimalisir paket dan proses yang dikirimkan. Dengan mengurangi ketidakpastian waktu, TPSN di klai mempunyai perbandingan 2:1 lebih presisi dibandingkan RBS karena model metode sinkronisasi pengirim ke penerima lebih superior dibandingan model penerima ke penerima (Ganeriwal, Kumar and Srivastava 2003)
2. METODE PENELITIAN 2.1 Blok Diagram Sistem
Alur jalannya sistem sinkronisasi dapat dilihat pada Gambar 1 berikut.
Gambar 1. Diagram Blok Sistem
Pada Gambar 1 blok diagram sistem sinkronisasi terdapat 3 tahapan yaitu input, proses, dan output. Pada tahapan input yaitu server dan client saling terkoneksi satu sama lain. Kemudian client meminta request sinkronisasi yang akan dilanjutkan pada bagian proses. Sinkronisasi kemudian dimulai dengan server menerima request dan mengirim balik waktu referensi yang akan digunakan oleh client. setelah tersikronisasi maka output dari proses adalah waktu client telah tersinkron dengan waktu server.
2.2 Perancangan Sistem
Sistem sinkronisasi TPSN dirancang sesuai dengan pada Gambar 2. Berikut rancangan sistem
Sistem dirancang berdasarkan gambar diatas diatas dimana, sistem akan dirancang terdiri atas 1 node server dan 2 node client menggunakan ESP 32 yang memiliki spesifikasi sebagai berikut
No Spesifikasi
1. Xtensa dual-core 32 bit microprocessor up to 240Mhz
2. Flash memory 2MB
3. SRAM 520KB
4. konektivitas Wi-Fi: 802.11 b/g/n/e/i (802.11n @2.4 GHz up to 150 Mbit/s) and Bluetooth Low Energy (BLE)
Implementasi Sinkronisasi dibuat dengan menggabungkan waktu server dan client dengan mengambil nilai t1, t2, t3, t4 yang kemudian disimpan ke dalam Characteristic server yang bertindak sebagai tempat pertukaran data. Berikut Gambar 3 menjelaskan Diagram Alir perancangan sistem sinkronisasi waktu dengan metode TPSN
Gambar 3. Diagram Alir Perancangan Sistem Sinkronisasi Waktu TPSN
Proses pertama dari sistem ini adalah melakukan pembacaan advertising dan pencocokan service UUID dan characteristic UUID agar server dan client dapat terhubung. Kemudian client akan menemukan server dengan melakukan scan advertising yang dilakukan server agar terdeteksi sesuai UUID. Jika tidak terkoneksi maka proses connecting akan direset dan dilakukan Kembali hingga terkoneksi. Setelah koneksi client-server terbangun maka Langkah selanjutnya adalah node client mengirimkan sebuah request yang berisi data t1 yang meminta sinkronisasi ke
server. Setelah server menerima request dari client maka selanjutnya server akan mencatat timestamp t2. Setelah itu server akan mengirimkan sebuah paket ACK. Pada saat ini server menuliskan timestamp t3. Paket ACK yang akan dikirimkan ke node client ini berisi waktu t1, t2, dan waktu t3. Setelah itu Paket ACK dari server tersebut diterima oleh client dan client mencatatkan timestamp t4. Setelah mendapatkan waktu t1, t2, t3, dan t4 maka selanjutnya akan dihitung menggunakan rumus persamaan metode Timing-sync Protocol for Sensor Network. Berikut ilustrasi komunikasi TPSN pada Gambar 4.
Gambar 4. Ilustrasi komunikasi TPSN Gambar tersebut menjelaskan alur proses komunikasi yang terjadi antar node. Node A bertindak sebagai Client dan Node B bertindak sebagai Server. Pada node server akan melakukan pengiriman dengan fungsi MyCallbacks dan Notify agar dapat menotifikasi client bahwa ada value baru. Pada node client akan melakukan penerimaan dan pengiriman dengan fungsi NotifyCallbacks. Fungsi ini akan berguna untuk membaca value pData pada characteristic.Node client akan membenarkan waktunya ketika telah berhasil melakukan sinkronisasi. Tetapi harus melewati proses perhitungan dengan persamaan metode TPSN sebagai berikut:
D = (𝑡2 − 𝑡1) + (𝑡4 − 𝑡3)
2 (2.1)
Persamaan 2.1 yaitu rumus untuk menghitung hasil waktu Propagation Delay.
Offset = (𝑡2 − 𝑡1) − (𝑡4 − 𝑡3)
2 (2.2)
Persamaan 2.2 yaitu rumus untuk menghitung hasil waktu Clock Drift.
Setelah proses perhitungan telah selesai dilakukan maka selanjutnya adalah melakukan konversi nilai waktu tersebut ke dalam nilai aktual unixtime. Nilai unixtime ini merupakan perhitungan di dalam library RTCLIB.h yang merupakan referensi waktu unix. Referensi ini
merupakan perhitungan waktu dari tanggal 1/1/1970 pada waktu 00:00:00. Waktu tersebut dikonversikan ke detik dan di hitung dari waktu unix sampai settingan tanggal dan waktu masa kini. Setelah selesai maka kita tinggal melakukan pengaturan waktu RTC yang di set dengan hasil sinkronisasi waktu TPSN. kemudian menampilkan hasil seluruh proses tersebut ke dalam serial monitor. Proses sinkronisasi telah selesai dan waktu node client telah tersinkronisasi.
2.3 Implementasi Sistem
Pada implementasi sistem akan dijelaskan implementasi perangkat keras ESP 32 dan modul RTC
Gambar 5. Implementasi Perangkat Keras Pada Gambar 5. Dijelaskan perangkat keras yang terdiri dari breadboard, mikrokontroller ESP32, Modul RTC DS3231, Kabel Jumper, Kabel USB, dan sebuah USB Hub. Kemudian akan dijelaskan implementasi perangkat lunak
Gambar 6. Implementasi Perangkat Lunak
Implementasi pada perangkat lunak. Pada gambar 6 dapat dilihat bahwa implementasi dilakukan menggunakan Arduino IDE sebagai compiler. Program menggunakan Bahasa C++. Pada perancangan akan dibuat dan implementasikan rancangan sistem sebelumnya ke dalam sebuah program yaitu mengimplementasikan sinkronisasi waktu antar Bluetooth Low Energy Device menggunakan metode Timing-Sync Protocol for Sensor Network. Hasil dari program ini dapat dilihat pada Pengujian dan Analisis di bagian selanjutnya.
3. PENGUJIAN DAN ANALISIS
3.1 Hasil Pengujian Nilai Akurasi
Waktu Sinkronisasi
Pengujian nilai parameter akurasi sinkronisasi data. Pengujian ini dilakukan berulang sebanyak 10 kali. Berikut sedikit penjelasan proses sinkronisasi pada Gambar 7.
Gambar 7. Proses Sinkronisasi dan pengambilan data Offset serta Timestamp
Tabel 1. Nilai Offset TPSN
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 2.50 0.50 1.00 1.50 0.00 9.00 4.00 2.50 3.00 2.50 Mean 2.65ms
pengujian dilakukan sebanyak 10 kali setelah sinkronisasi pertama. Kemudian didapatkan nilai Offset pada Tabel 1. Didapatkan nilai rata-rata sebesar 2.65ms yang artinya akurasi ini cukup baik. Kemudian pengujian pada hasil propagation delay pada tabel 2.
Tabel 2 nilai propagation delay
No. Propagation Delay
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 13.50 12.50 25.00 15.50 16.00 25.00 17.00 14.50 13.00 16.50 Mean 16.85ms
Hasil pengujian propagation didapatkan waktu rata-rata 16.85ms.
3.2 Hasil Pengujian Error Pada TPSN
Hasil pengujian menampilkan timestamp serta nilai waktu pada node server dan node client menggunakan Millis (ms) untuk
menghitung dengan satuan millisecond, karena modul RTC memiliki keterbatasan hanya dapat menghitung dalam satuan detik (seconds). setelah dilakukan nya sinkronisasi lalu timestamp dan nilai waktu tersebut akan dilakukan perhitungan manual. Pengujian dilakukan berulang 30 kali dan Hasil dari pengujian ini dapat dilihat pada tabel 3.
Tabel 3 Pengujian Error
No. Hasil Error
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 11 ms 5 ms 2 ms 17 ms 8 ms 20 ms 4 ms 7 ms 23 ms 16 ms 7 ms 4 ms 7 ms 5 ms 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 12 ms 7 ms 25 ms 13 ms 8 ms 10 ms 5 ms 27 ms 5 ms 7 ms 21 ms 16 ms 8 ms 5 ms 3 ms 3 ms Mean 10,36 ms
Dari hasil tersebut dapat terlihat bahwa
pada hasil pengujian menunjukkan rata-rata
offset timestamp adalah 215.93ms dan hasil
rata-rata error cukup kecil yaitu 10.36ms.
3.3 Hasil Pengujian Waktu Komputasi
Pengujian ini dilakukan dengan cara melihat timestamp alat ketika memproses sinkronisasi pada serial monitor. Ketika client mengirimkan request maka awal dari program dapat dilihat dari server kemudian akan berakhir pada client di akhir sinkronisasi. Berikut hasil pengujian yang dilakukan 10 kali pada tabel 4.
Tabel 4. Peningkatan Kinerja Database
No. Mulai Sinkronisasi (Timestamp) Selesai sinkronisasi (Timestamp) Nilai Komputasi TPSN 1 171625681 171625779 98ms 2 171724660 171724777 117ms 3 171847687 171847784 97ms 4 172101690 172101793 103ms 5 172134676 172134779 103ms 6 172228690 172228813 123ms 7 172430693 172430789 96ms 8 172508682 172508773 91ms 9 172549681 172549775 94ms 10 172620688 172620789 101ms
Mean Waktu akhir – waktu awal 102.3ms
Pengujian mendapatkan hasil terbesar pada 123ms dan hasil terkecil pada 91ms. Dicari rata-rata dari semua hasil waktu didapatkan waktu 102.3ms. yang artinya pemrosesan komputasi TPSN sudah cukup cepat.
4. KESIMPULAN DAN SARAN
Implementasi sinkronisasi waktu antar Bluetooth Low Energy dengan metode
Timing-sync Protocol for Sensor Network menggunakan ESP 32 dan RTC. koneksi Node Server dan Node Client telah terbangun dan terhubung serta bertukar informasi dengan menggunakan fitur BLE yaitu Service dan Characteristic
Hasil pengujian dari segi pengujian error bahwa hasil nya cukup kecil. Dari 30 kali pengujian didapatkan hasil error sebesar 10.36ms. pengujian Offset dengan nilai rata-rata 2.65ms dan propagation delay 16.85ms. Pada segi pengujian waktu komputasi yang dilakukan 10 kali didapatkan hasil rata-rata 102.3ms yang tergolong cukup cepat.
Saran yang diberikan untuk penelitian yang mendatang yaitu menambahkan jumlah nodes lebih dari 3 dengan harapan memperluas jariangan dengan sistem multi-hop. Kemudia menerapkan metode lain dan mengukur parameter yang berbeda. Dengan harapan agar penelitian ini dapat dikembangkan lagi.
5. DAFTAR PUSTAKA
Casas, Roberto., J., Hector. Gracia, Álvaro. Marco, and L. Jorge. Falcó. 2005. "Synchronization in Wireless Sensor Networks Using Bluetooth." 3-5.
Collota, Mario, Member IEEE, and Giovanni Pau. 2015. "A Novel Energy Management Approach for Smart." IEEE JOURNAL
ON SELECTED AREAS IN
COMMUNICATIONS 33: 12.
Dargie, Waltenegus., and Christian, Poellabauer. 2010. Fundamentasl of Wireless Sensor Networks. 1st. United Kingdom: WILEY. espressif, System. 2020. "ESP32 Datasheet V3.3." Accessed 02 03, 2020. https://www.espressif.com/sites/default/fi les/documentation/esp32_datasheet_en.p df.
Firdaus. 2014. Wireless Sensor Network Teori dan Aplikasi. Yogyakarta: Graha Ilmu. Ganeriwal, S., R. Kumar, and M. B. Srivastava.
2003. "Timing-sync protocol for sensor networks." Proc. of the 1st International Conference on Embedded Networked Sensor Systems.
Gilang, Gusti Arief, Rizal Maulana, and Wijaya Kurniawan. 2018. "Implementasi Sistem Pendeteksi Premature Ventricular Contraction (PVC) Aritmia Menggunakan Metode Naive Bayes." Jurnal Pengembangan Teknologi Informasi dan
Ilmu Komputer 2 (11): 5236.
Gummesson, Filip., and Kristoffer Hilmersson. 2016. "Time Synchronization in Short Range Wireless Networks." 15-17. Indrayana, Sukma, Arief, Rakhmadany
Primananda, and Kasyful Amron. 2018. "Rancang Bangun Sistem Komunikasi Bluetooth Low Energy (BLE) Pada Sistem Pengamatan Tekanan Darah."
Jurnal Pengembangan Teknologi
Informasi dan Ilmu Komputer 2: 2462. Kusna, Ferdiansyah, Nicho, Rizkiqa,
Sabriansyah Akbar, and Dahnial Syauqy. 2019. "Rancang Bangun Pengenalan Modul Sensor Dengan Konfigurasi Otomatis Berbasis Komunikasi I2C."
Jurnal Pengembangan Teknologi
Informasi dan Ilmu Komputer 2 (10): 3200-3203.
Maxim Integrated Products, Inc. 2015. DS3231 Extremely Accurate I2C-Integrated. California: Maxim Integrated Products, Inc.
Maxim, Integrated. 2016. "DS3231 Extremely Accurate I2C-Integrated." 03 02.
Accessed 02 02, 2020.
https://datasheets.maximintegrated.com/e n/ds/DS3231.pdf.
Polsri. 2017. Arduino. Accessed 2 15, 2020. http://eprints.polsri.ac.id/3625/3/FILE%2 0III.pdf.
Pratama, Adi, Rizqika, Sabriansyah Akbar, and Hanafi, Hannats, Mochammad Ichsan. 2018. "Implementasi Pengiriman Data Wireless dengan Metode Time Division Multiple Access dan Timing-Sync Protocol for Sensor Networks pada Kolam Ikan." Jurnal Pengembangan Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer 2: 3872. Ranganathan, Prakash,, and Nygard Kendall.
2020. "Time Synchroization in Wireless Sensor Networks: A Survey." International Journal of UbiComp (IJU) 1: 2.
Sohraby, Kazem, Daniel Minoli, and Taieb Znati. 2007. Wireless Sensor Networks: Technology, Protocols, and Application. New Jersey: WILEY.
Sundararaman, B., Buy, U., Kshemkalyani, and A.D. 2005. "Clock synchronization for
wireless sensor networks:A survey." Ad Hoc Networks 3: 280-322.
Towsend, Kevin. 2019. "Introduction to Bluetooth Low Energy." cdn-learn.adafruit.com. Adafruit Industries. 01 03. Accessed 02 03, 2020. https://cdn-learn.adafruit.com/downloads/pdf/introdu ction-to-bluetooth-low-energy.pdf. Welsh, M., D. Malan, B. Duncan, T.
Fulford-Jones, and S. Moulton. 2004. "Harvard University adn Boston Universty School of Medicine." Wireless Sensor Networks for Emergency Medical Care.
