TRANSMISI DATA MELALUI SISTEM KOMUNIKASI FREKUENSI RADIO DENGAN MENGGUNAKAN MODUL XBEE PRO 24-ACI-001
Yayan Prima Nugraha1, Imam Sucahyo1,2, Tjipto Prastowo1,2, Endah Rahmawati1,2 1
Program Studi Fisika, Jurusan Fisika, FMIPA Unesa 2
Laboratorium Instrumentasi dan Sains Kebumian, Jurusan Fisika, FMIPA Unesa Kampus Unesa Ketintang, Surabaya, 60231
E-mail: yans.okx@gmail.com
ABSTRAK
Transmisi data dapat dilakukan dengan memanfaatkan gelombang radio sebagai perantara. Salah satu contoh transmisi data yang memanfaatkan fenomena perambatan gelombang radio sebagai pembawa informasi dalam sistem komunikasi adalah wireless system. Dalam penelitian ini, Xbee Pro 24-ACI-001 digunakan sebagai modul komunikasi frekuensi radio. Metode percobaan transmisi data ini adalah dengan memberi perlakuan dalam bentuk variasi kondisi cuaca harian dan posisi geo-spasial transmitter-reciever. Perlakuan diberikan untuk mengetahui sensitivitas modul terhadap perubahan kondisi lingkungan yang bisa berpengaruh terhadap efektivitas pengiriman sinyal radio atau data. Hasil-hasil percobaan pada saat siang dan malam, kondisi berawan dan hujan menunjukkan bahwa kondisi cuaca tidak berpengaruh signifikan terhadap proses pengiriman data. Modul Xbee Pro 24-Aci-001 bekerja efektif dalam jangkauan radius 1300 m. Pelemahan energi transmisi ditemukan dalam skala minor berasal dari sifat konduktif medium yang dilalui. Besaran
skin depth udara sebagai medium perambatan gelombang radio ditemukan dalam orde 1012 m, sangat besar untuk jarak efektif transmisi data tanpa bias informasi. Dalam beberapa percobaan, beton setebal 33 cm dengan skin depth dalam orde 10-6 m digunakan sebagai partisi antara sumber dan penerima. Hasil-hasil percobaan membuktikan bahwa meskipun terdapat partisi transmisi data masih berlangsung dengan baik.
Kata kunci : Xbee Pro 24-Aci-001, sistem komunikasi radio, skin depth
ABSTRACT
Digital data can be transmitted using radio waves. One example of data transmission that utilizes the propagation of radio waves as a carrier is found in a wireless system. In this research, Xbee Pro 24-Aci-001 is used as a module for radio communication system. The method developed in this research is to perform experiments in various daily times and weather conditions, and different transmitter-receiver separations. The change in various conditions is aimed to examine the sensitivity of the designed module to changes in environmental conditions. The module is found to be effective in a radius of 1300 m. Attenuation of transmitted energy is found in a minor scale caused by properties of dispersive media . Medium through which radio waves propagate is the air, with its skin depth in the order of 1012 m, relatively very large for effective data transmission with no bias to occur. In a set of experiments, a concrete of 33 cm thick having a skin depth in the order of 10-6 m is placed between the source and the receiver. With this partition, the results show that data transmission remains running well.
PENDAHULUAN
Pengaruh perkembangan ilmu sains dan teknik memberikan dampak positif pada kemajuan
bidang telekomunikasi. Kelahiran sistem telekomunikasi digital dengan berbagai varian piranti
telekomunikasi baru yang lebih canggih dan fleksibel adalah hal yang tidak bisa dipungkiri [1, 2].
Saat ini, sistem komunikasi dan informasi digital sudah banyak yang menerapkan sistem nirkabel
sebagai penyedia transfer informasi. Pilihan sistem nirkabel adalah dengan pertimbangan agar lebih
efisien dan efektif dalam pengiriman data digital. Berikut adalah beberapa contoh modul
telekomunikasi nirkabel adalah wireless, bluetooth, infrared [3]. Modul telekomunikasi nirkabel
lain yang bisa digunakan dalam sistem komunikasi dan informasi digital berbasis frekuensi radio
adalah Xbee Pro 24-ACI-001. Penelitian dalam bidang fisika instrumentasi ini bertujuan untuk
mengetahui karakteristik modul Xbee Pro 24-ACI-001 dalam sistem komunikasi gelombang radio
pada berbagai kondisi cuaca harian.
TEORI
Sistem komunikasi dan informasi digital saat ini banyak yang menerapkan sistem nirkabel
sebagai penyedia transfer informasi dari satu instrumen komunikasi ke instrumen komunikasi lain.
Sistem nirkabel tersebut memanfaatkan fenomena fisis perambatan gelombang elektromagnetik
yang merupakan fluktuasi medan listrik dan medan magnet dalam ruang. Karakteristik perambatan
energi elektromagnetik dalam ruang dinyatakan oleh vektor Poynting [4] yang dituliskan sebagai
(1)
dengan adalah vektor Poynting yang menyatakan besaran fisis terukur (intensitas gelombang
elektromagnetik), dan berturut-turut adalah amplitudo medan listrik dan medan magnet, dan
adalah permeabilitas udara. Persamaan tersebut menceritakan bahwa energi elektromagnetik
sebanding dengan kuadrat amplitudo dan dipindahkan dalam ruang dengan kecepatan sebesar c
dengan arah tegak lurus terhadap arah getar medan listrik dan medan magnet.
Medium perambatan gelombang memberikan pengaruh pada jarak efektif perambatan
energi gelombang tanpa bias informasi. Berbeda dengan udara yang relatif permisif, maka bahan
konduktor sebagai medium dispersif menyebabkan atenuasi energi elektromagnetik sebagai fungsi
jarak tembus bahan seperti terlihat pada hubungan berikut:
dan (2)
dengan x merupakan arah perambatan gelombang dan adalah tetapan propagasi gelombang
dalam bahan. Persamaan tersebut di atas menunjukkan penurunan amplitudo secara eksponensial
Jarak efektif perambatan gelombang elektromagnetik dalam medium dispersif (konduktor)
diukur melalui besaran skin depth [4]. Untuk bahan konduktif yang buruk dimana , berlaku
(3)
dengan , dan berturut-turut adalah permitivitas, permeabilitas dan konduktivitas bahan.
Persamaan tersebut di atas menjadi basis estimasi skin depth udara dan beton pada penelitian ini.
Gelombang radio sebagai salah satu bagian dari spektrum gelombang elektromagnetik
dapat digunakan sebagai gelombang pembawa dalam sistem komunikasi data digital. Efektivitas
pengiriman sinyal radio dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu: (1) ketinggian posisi pemancar
dan penerima; (2) jarak antara pemancar dan penerima; dan (3) frekuensi gelombang pandu yang
membawa informasi [5]. Penelitian ini menggunakan modul Xbee Pro 24-Aci-001 yang merupakan
serial interface nirkabel dengan frekuensi 2,4 GHz dan berfungsi menghubungkan mikrokontroler
satu dengan yang lain melalui udara dengan radius jangkauan bisa mencapai 1,6 km di ruang bebas.
Kelebihan utama Xbee Pro 24-Aci-001 dipilih sebagai modul komunikasi serial nirkabel
adalah karena dapat dikomunikasikan secara ad-hoc [1, 6] dan juga memiliki konsumsi daya yang
relatif rendah, 3,3 volt [7]. Prosesor eksternal yang digunakan adalah ATMega16 yang memiliki
fasilitas komunikasi UART [8]. Xbee Pro Seri 1 ini bekerja dalam dua fungsi yang berbeda, yaitu
fungsi individu yang artinya modul ini sudah dapat dimanfaatkan sebagai media telemetri untuk
menyampaikan informasi baik analog maupun digital I/O. Untuk menghasilkan baudrate yang
menghasilkan error 0% digunakan osilator eksternal (crystal) 11,059 MHz. Media interface untuk
mengamati data digital yang dikirimkan dan yang diterima antara kedua pemancar adalah tipe LCD
dot-matriks 16x4 yang lebih fleksibel dan efisien.
EKSPERIMEN
Alur penelitian yang dilakukan adalah dengan cara membuat instrumen penelitian yang
terdiri dari beberapa peralatan, yaitu sebuah pemancar gelombang radio Xbee Pro 24-Aci-001 yang
dikendalikan dengan komunikasi UART dan dihubungkan menuju mikrokontroler ATMega16
sebagai pengolah data. Setelah itu, dilakukan proses pairing untuk melakukan komunikasi antara
pemancar satu dengan pemancar lain. Manipulasi jarak dilakukan untuk mengetahui sensitivitas
rancangan terhadap perubahan jarak transmitter-receiver. Pengukuran dilakukan pada satu tempat,
di mana dapat dijangkau jarak terjauh pengiriman dengan modul Xbee Pro 24-Aci-001 (1,6 km).
Data yang dikirim berupa karakter ASCII, yaitu karakter „a‟, „b‟ dan „c‟ dengan selang waktu 1 s
Pengukuran dilakukan dengan memberikan jarak mulai dari 5 cm, kemudian dimanipulasi
untuk beberapa jarak 1 m; 10 m; 25 m; 50 m; 75 m; 100 m; 200 m; 300 m; 400 m; 500 m; 600 m;
700 m; 800 m; 900 m; 1 km; 1,1 km; 1,2 km; 1,3 km; 1,4 km; 1,5 km dan 1,6 km. Berikutnya
adalah melakukan hal yang sama, namun diberikan perlakuan tambahan dengan menggunakan tiga
pemancar untuk menguji korelasi antara faktor spasial dan temporal dalam proses transmisi
gelombang radio menggunakan Xbee Pro 24-Aci-001 (Gambar 1a).
Jarak
Gambar 1. Teknik pengambilan data: (a) tanpa partisi dan (b) dengan partisi beton 33 cm. Percobaan selanjutnya adalah dengan memberikan partisi (beton setebal 33 cm) antara
ruang pengiriman. Pengiriman dilakukan dari pemancar A menuju penerima B dan diterukan pada
penerima C (Gambar 1b). Instrumen pengukuran terdiri dari komponen-komponen elektronika
yang terintegrasi menjadi sebuah instrumen dasar sistem telemetri.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil-hasil percobaan diperoleh data pengiriman sumber pertama (source 1) menuju
penerima pertama (receiver 1) dan diteruskan menuju penerima ke dua (receiver 2).
Tabel 1. Hasil-hasil eksperimen dengan variasi waktu pengamatan.
No Jarak R1: receiver 1; R2= receiver 2; S1= source 1; S2= source 2
*1 Data diambil pukul 5.00-7.00 *2 Data diambil pukul 14.00-16.00 *3 Data diambil pukul 20.30-22.00
Berdasarkan Tabel 1, dapat diamati bahwa untuk jarak ≤ 1300 m data terkirim dengan baik untuk semua variasi waktu pengamatan (masih dapat diterima dengan baik oleh receiver 1 dan 2).
Untuk jarak pengamatan 1400 m, bias informasi mulai terjadi untuk semua waktu pengamatan
(pagi, siang dan malam) yang ditandai dengan lenyapnya satu karakter pada masing-masing
receiver. Hilangnya satu karakter juga terjadi pada jarak 1500 m, hal ini membuktikan bahwa pada
jarak ini energi elektromagnetik mulai mengalami pelemahan. Pelemahan memberikan efek yang
signifikan untuk pengiriman data pada jarak 1600 m; semua data tidak terkirim pada receiver 1
maupun receiver 2. Berikut adalah hasil-hasil percobaan saat kondisi berawan untuk dua variasi
waktu pengamatan.
Tabel 2. Hasil-hasil pengamatan pada saat kondisi berawan.
No Jarak R1: receiver 1; R2= receiver 2; S1= source 1; S2= source 2
*1 Data diambil pukul 14.00-16.00 *2 Data diambil pukul 20.30-22.00
Hasil-hasil percobaan pada Tabel 2 memberikan informasi bahwa saat kondisi berawan
data masih dapat terkirim dengan baik pada jarak ≤ 1200 m. Hal ini memberikan indikasi bahwa
energi elektromagnetik masih dapat menjangkau radius ini untuk dua waktu pengiriman berbeda.
Pada jarak 1300 m dan 1400 m, satu karakter hilang saat penerimaan sinyal oleh receiver 1 dan 2.
Hilangnya satu karakter tersebut karena energi elektromagnetik mulai mengalami pelemahan
seiring bertambahnya jarak tempuh sesuai prediksi teori perambatan gelombang elektromagnetik,
di mana faktor yang menyebabkan pelemahan energi elektromagnetik. Pelemahan semakin
besar terjadi seiring dengan bertambahnya jarak pengukuran (1500 m); hal ini terbukti dengan
indikasi bahwa dua karakter hilang pada receiver 1 dan 2. Keadaan ini juga terjadi pada radius
1600 m yang dibuktikan dengan tidak adanya data yang diterima oleh receiver 1 dan 2. Berikut ini
adalah hasil percobaan saat kondisi hujan untuk dua variasi waktu pengamatan.
Tabel 3. Hasil-hasil pengamatan pada saat kondisi hujan.
3 4 5 6
1300 1400 1500 1600
„a‟;‟c‟ „a‟ „a‟
Lenyap
„a‟;‟c‟ „a‟ „a‟
lenyap
„a‟;‟c‟ „a‟ „a‟
lenyap
„a‟ „a‟
lenyap lenyap R1: receiver 1; R2= receiver 2; S1= source 1; S2= source 2
*1 Data diambil pukul 14.00-16.00 *2 Data diambil pukul 20.30-22.00
Hasil-hasil percobaan untuk kondisi hujan pada Tabel 3 memberikan informasi bahwa
untuk jarak ≤ 1100 m, data masih dapat terkirim dengan baik pada reciever 1 dan 2. Untuk jarak
1200 m pada sore hari memberikan indikasi bahwa data masih dapat terkirim dengan cukup baik.
Berbeda untuk malam hari, pada jarak 1200 m data mulai mengalami kehilangan satu karakter,
karena kontribusi perubahan lingkungan yang mengganggu proses transmisi data. Pelemahan lebih
lanjut terjadi pada jarak 1300 m sampai 1600 m. Semua hasil ukur yang diberikan oleh Tabel 1
sampai Tabel 3 memberikan gambaran karakteristik jangkauan jarak efektif Xbee Pro 24-Aci-001
untuk kondisi tanpa penghalang antara sumber dan penerima. Meskipun batas maksimum jarak
efektif Xbee Pro 24-Aci-001 adalah 1600 m [1, 2, 3], namun hasil-hasil pengukuran pada penelitian
ini memberikan jangkauan jarak efektif pengiriman sinyal yang lebih kecil, yaitu 1300 m pada
kondisi cuaca normal, 1200 m pada kondisi berawan dan 1100 m pada kondisi hujan. Untuk semua
kondisi cuaca harian, pengiriman sinyal radio sudah tidak lagi efektif pada jarak ≥ 1500 m.
Tabel 4 di bawah ini menyajikan data percobaan dengan menggunakan partisi antara
sumber dan penerima. Hasil-hasil percobaan dengan menggunakan partisi beton setebal 33 cm dan
skin depth 10-6 m menunjukkan bahwa data masih dapat terkirim dengan baik. Hasil percobaan ini
mengejutkan mengingat harga skin depth bahan beton yang sangat kecil dalam situasi normal tanpa
ada interfere dari sumber lain akan menyebabkan bias informasi pada jarak yang realtif dekat.
Anomali ini bisa jadi karena interferensi konstruktif gelombang radio pada ujung receiver dalam
ruang percobaan. Hasil interferensi inilah yang diterima receiver dalam proses pengolahan sinyal.
Tabel 4. Hasil-hasil pengamatan`menggunakan partisi beton dengan tebal 33 cm.
Data Data 1 Data 2 Data 3 Data 4 Data 5
S1 dan R1 S2 dan R2
„a‟;‟b‟;‟c‟
„a‟;‟b‟;‟c‟ „a‟;‟b‟;‟c‟„a‟;‟b‟;‟c‟ „a‟;‟b‟;‟c‟„a‟;‟b‟;‟c‟ „a‟;‟b‟;‟c‟„a‟;‟b‟;‟c‟ „a‟;‟b‟;‟c‟„a‟;‟b‟;‟c‟
Note : R1: receiver 1; R2= receiver 2; S1= source 1; S2= source 2
KESIMPULAN
Jarak efektif pengiriman data digital melalui gelombang radio ditentukan oleh beberapa
faktor, salah satunya adalah modul pembawa informasi. Temuan utama penelitian ini adalah bahwa
lebih kecil dari pada yang disampaikan oleh beberapa peneliti, yaitu 1600 m [1, 2, 3]. Perbedaan
jarak efektif yang cukup signifikan ini karena perbedaan kondisi tempat pelaksanaan pengukuran.
Pengurangan jarak efektif pengiriman sinyal bisa terjadi karena perubahan kondisi cuaca harian
(berawan dan hujan), di mana kelembaban yang meningkat diduga menjadi penyebab.
UCAPAN TERIMA KASIH
Ucapan terimakasih yang tak terhingga untuk seluruh dukungan dan bantuan dari anggota
tim penelitian di Laboratorium Instrumentasi dan Sains Kebumian, Jurusan Fisika FMIPA Unesa
dan semua pihak yang membantu.
DAFTAR PUSTAKA
1. Ergen, S. C. ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary. Berkeley: University of California, 2004.
2. Ergen, S. C. Wireless Sensor Network; Energy Efficiency, Delay Guarantee and Fault
Tolerance. Berkeley: University of California, 2005.
3. Rao, V. P. The simulative Investigation of Zigbee/ IEEE 802.15.4. Dresden: Dresden Univesity
of Technology, 2005.
4. Griffiths, D. J. Introduction to Electrodynamics. New Jersey: Prentice Hall, 1999.
5. Saunders. Antennas and Propagation for Wireless Communication System. West Sussex: John
Wiley & Sons Ltd, 2007.
6. Jamil, T. “Design and Implementation of a Wireless Automatic Meter Reading System.”
Proceedings of the World Congress on Engineering Vol I. London: 2008.
7. Bisyri, K. A.“Rancang Bangun Komunikasi Data Wireless Mikrokontroler Menggunakan
Modul Xbee Zigbee (IEEE 802.15.4).” Repositori Institut Pertanian Bogor. Bogor, 2012.
8. Barnett, R. H., Cox, S., and O'Cull, L. Embedded C Programming and the Atmel AVR. Canada:
