Fakultas Ilmu Komputer
Universitas Brawijaya
157
Rancang Bangun
Low Power
Sensor
Node
Menggunakan MSP430 Berbasis
NRF24L01
Rizky Putra Pratama1, Sabriansyah Rizqika Akbar2, Adhitya Bhawiyuga3
Program Studi Teknik Informatika, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya E-mail: 1rizkyputra048@gmail.com, 2sabrian@ub.ac.id, 3bhawiyuga@ub.ac.id
Abstrak
Teknologi komunikasi saat ini sudah sangat berkembang terlebih lagi dengan adanya teknologi wireless. Teknologi ini sangat populer dikarenakan kemampuanya dalam mengirimkan data atau informasi secara nirkabel. Salah satu pemanfaatan teknologi wireless adalah pada Wireless Sensor Network. Pada Wireless Sensor Network, pengiriman data antar sensor node sangat bergantung dengan sumber daya listrik berupa baterai yang mempunyai kapasitas daya terbatas, hal ini dapat menyebabkan masalah karena sensor node diharuskan dapat bertahan selama mungkin. Untuk menanggulangi masalah penghematan sumber daya, dilakukan penelitian tentang low power mode pada teknologi Wireless Sensor Network yaitu dengan cara menerapkan mekanisme sleep mode pada sensor node agar sumber daya baterai dapat bertahan lebih lama. Sesuai dengan masalah diatas, penulis membuat rancang bangun sensor node menggunakan MSP430 sebagai mikrokontroler yang akan mengatur segala proses pada node termasuk mengatur penggunaan sleep mode sebagai cara penghematan catu daya. Untuk pengiriman data, sistem ini menggunakan NRF24L01 sebagai modul komunikasi. Data yang dikirim berupa perhitungan suhu dari sensor suhu LM35. Hasil dari penelitian dalam hal penggunaan sleep mode dapat menghemat daya yang digunakan oleh node. Hal ini ditunjukan oleh penghematan daya yang digunakan oleh node tanpa menggunakan sleep mode dengan node yang menggunakan sleep mode mencapai 33,31 %. Akurasi pengiriman data pada penelitian ini dibagi menjadi 2, pada pengiriman data tanpa penghalang rata-rata akurasi pengiriman data mencapai 100%. Sementara pada pengiriman data dengan penghalang rata-rata akurasi pengiriman data hanya mencapai 87,7%.
Kata kunci: Wireless Sensor Network, MSP430, LM35, Low Power
Abstract
Communication technology is now very grown even more with their wireless technology. This technology is very popular due to their ability to transmit data or information wirelessly. One of the utilization of wireless technology is the Wireless Sensor Network. In the Wireless Sensor Network, the data transmission between sensor nodes is highly dependent on the power source in the form of batteries which have a limited capacity, this can cause problems because the sensor nodes are required to be able to survive as long as possible. To overcome the problem of resource savings, research on low-power mode in Wireless Sensor Network technology that is by applying the mechanism of sleep mode at the sensor node that resources can the battery last longer. In accordance with the above problems, the author makes the design of sensor nodes using MSP430 microcontroller which will regulate all the processes on the node, including regulating the use sleep mode as a way of saving power supply. For data transmission, the system uses NRF24L01 as communication modules. The data is sent in the form of calculation of the temperature of the LM35 temperature sensor. The results of the study in terms of the use of power-saving sleep mode can be used by the nodes. This is evidenced by the saving power used by the nodes without using sleep mode with nodes that use sleep mode reaches 33.31%. The accuracy of data transmission in this study was divided into two, the data transmission without hindrance average accuracy of data transmission up to 100%. While the data transmission with the hindrance an average accuracy of the data transmission only reached 87.7%.
1. PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi saat ini sudah sangatlah maju baik itu di negara maju maupun negara berkembang, terlebih lagi pada bidang komunikasi. Salah satu contoh dari teknologi komunikasi adalah wireless. Teknologi wireless merupakan salah satu teknologi dalam bidang komunikasi yang sangat populer saat ini. Hampir semua kegiatan sehari-hari yang kita lakukan berhubungan dengan teknologi wireless. Teknologi wireless populer karena kemampuanya dalam mengirimkan data atau informasi secara nirkabel. Salah satu pemanfaatan teknologi wireless yang sedang berkembang saat ini adalah Wireless Sensor Network atau yang biasa disingkat WSN.
Wireless Sensor Network (WSN) merupakan teknologi pemantauan yang terdiri atas dua atau lebih node sensor yang tersebar dan di koordinasikan oleh sebuah sistem menggunakan jaringan nirkabel. Dalam Setiap node memiliki kemampuan untuk pengolahan data (Mikrokontroler, CPU, dll), memiliki memori (program, data, memori flash), transceiver, sistem catu daya, dan melibatkan satu atau lebih sensor serta aktuator. Wireless Sensor Network dapat diaplikasikan dalam berbagai bidang yang membutuhkan pemantauan secara teratur dan terus-menerus seperti bidang transportasi, industri, keamanan dll. Salah satu contoh dari pemanfaatan teknologi WSN adalah dapat diaplikasikan untuk mengetahui suhu dan di dalam ruangan.
Dengan semakin meningkatnya kebutuhan terdapat beberapa permasalahan. Salah satu permasalahan yang terjadi adalah dengan sumber daya yang terbatas, sistem diharapkan mampu menjalankan berbagai proses. Begitu pula jika sistem digunakan untuk pemantauan secara teratur dan terus-menerus, maka konsumsi energi atau energi yang diperlukan akan bertambah semakin besar. Untuk itulah diperlukan management sumber daya yang baik agar sistem dapat berjalan dalam waktu yang cukup lama dengan sumber daya yang sedikit. Selain dari sisi management sumber daya baterai, penekanan konsumsi energi dapat dilakukan juga dari segi komponen atau hardware yang digunakan pada Mikrokontroler. Dengan berlatar belakang tersebut penulis melakukan penelitian untuk membuat sebuah desain sensor node yang hemat daya menggunakan MSP430. Sensor suhu yang
digunakan adalah LM35 dimana sensor akan mendeteksi suhu pada ruangan yang kemudian akan diproses oleh Mikrokontroler dan dikirim menggunakan NRF24L01. Penelitian ini diharapkan dapat membantu untuk mengetahui seberapa besar penekanan pemakaian daya pada sebuah sensor node agar didapatkan sebuah sensor node dengan pemakaian daya yang sedikit serta memberikan referensi untuk pengembangan WSN kedepannya.
2. DASAR TEORI
2.1 Wireless Sensor Network
Dalam Wireless Sensor Node, setiap node umumnya memiliki beberapa unit seperti sensing unit, power unit, processing unit, dan transceiver unit. Keempat unit tersebut merupakan bagian inti dari sebuah node pada Wireless Sensor Node (Sohraby, et al., 2007). Salah satu unit yang paling penting pada Wireless Sensor Node adalah processing unit karena unit ini merupakan inti dari sebuah node (dapat mempengaruhi performa Wireless Sensor Node). Pada Gambar 1 dibawah ini merupakan struktur dasar sebuah Wireless Sensor Node.
Gambar 1. Struktur dasar wireless sensor node
2.2 MSP430
Gambar 2. MSP430
2.3 NRF24L01
NRF24L01 merupakan modul komunikasi serial nirkabel yang didesain untuk aplikasi ultra low power wireless dengan pita frekuensi ISM 2,4 GHz. NRF24L01 dikonfigurasi dan dioperasikan melalui antarmuka perangkat serial. Register map tersedia melalui antarmuka ini. Register map sendiri berisikan semua konfigurasi register pada NRF24L01 dan dapat diakses pada semua mode operasi dari chip (Nordic Semiconductor, 2007). Pada Tabel 1 ditunjukkan desain pin pada NRF24L01.
Tabel 1 Desain pin NRF24L01
Pin Name Pin Activates RX or TX
Mode
Terdapat total 126 radio channel yang dapat digunakan pada NRF24L01. Untuk dapat saling terhubung, node harus berada pada channel yang sama. NRF24L01 memiliki 2 mode yaitu TX mode dan RX mode dimana TX mode merupakan mode saat NRF24L01 berfungsi sebagai pengirim paket data, sedangkan RX mode merupakan mode saat NRF24L01 berfungsi sebagai penerima paket data. Modul ini juga terdapat tipe dengan PA (Power Amplifier) dan LNA (Low Noise Amplifier) sehingga jarak
transfer data dapat semakin jauh dan lebih stabil. Area yang dapat dijangkau oleh NRF24L01 mencapai radius 1000m pada lapangan terbuka. Gambar 3 merupakan tampilan fisik dari NRF24L01.
Gambar 3. NRF24L01
2.4 LM35
LM35 merupakan sensor pendeteksi suhu yang akurat dimana tegangan Outputnya berbanding lurus dengan suhu. Sensor ini mempunyai kelebihan dibanding sensor suhu lain yang dikalibrasikan pada suhu Kelvin. LM35 tidak membutuhkan kalibrasi external untuk menghasilkan ketelitian 0.25 Celsius pada suhu di dalam ruangan dan mempunyai skala perhitungan suhu dari -55 Celcius hingga 150 Celcius (Instrumen, 2016). Gambar 4 merupakan tampilan fisik dari sensor suhu LM35.
Gambar 4. Sensor suhu LM35
2.5 IC Voltage Regulator
3. PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI
3.1 Perancangan Perangkat Keras
Transmitter
Perancangan perangkat keras pada node tranceiver terdiri dari rangkaian Mikrokontroler, sensor, modul wireless, dan rangkaian penurun tegangan. Node transmitter menggunakan IC MSP430g2553 sebagai Mikrokontroler. Dikarenakan yang digunakan hanyalah IC nya saja, maka perlu ditambahkan rangkaian penurun tegangan agar sistem berjalan dengan normal dan IC tidak terbakar. Node menggunakan baterai berkapasitas 9V sebagai catu daya dimana daya tersebut nantinya akan diturunkan menjadi 3,3V agar sistem dapat berjalan dengan baik karena IC MSP430g2553 dan NRF24L01 akan rusak atau terbakar jika daya yang masuk melebihi 3,6V. Rangkaian sensor menggunakan sensor suhu LM35 untuk mengukur suhu yang berada disekitar node. Untuk modul wireless, sistem ini menggunakan NRF24L01. Sistem ini juga menggunakan IC regulator AMS1113 untuk menurunkan tegangan menjadi 3,3 V. Gambar 5 adalah rangkaian dari node sensor transmitter.
Gambar 5. Rancangan node transmitter
Tabel 2. Hubungan MSP430G2553 dengan NRF24L01
Tabel 3. Hubungan MSP430G2553 dengan LM35
Pin
Tabel 4. Hubungan MSP430G2553 dengan LED
Pin
3.2 Perancangan Perangkat Keras
Receiver
Perancangan perangkat keras pada node receiver terdiri dari rangkaian Mikrokontroler dan juga modul wireless. Sama seperti node transmitter, node receiver juga menggunakan MSP430g2553 sebagai Mikrokontroler. Yang membedakan adalah MSP430g2553 digunakan bersama Launchpadnya. Modul wireless yang digunakan juga sama yaitu NRF24L01. Error! Reference source not found. di bawah ini merupakan rancangan dari node receiver.
Gambar 5. Rancangan node receiver
Tabel 5. Hubungan MSP430 dengan NRF24L01
Pin MSP430 Pin NRF24L01 Warna
Kabel
VCC VCC
GND GND
P1.5 SCK
P1.7 MOSI
P2.0 CE
P2.1 CSN
3.3 Perancangan Perangkat Lunak
Transmitter
Perancangan perangkat lunak pada node transmitter menggunakan bahasa pemrograman C yang diprogram melalui Energia IDE dan juga memanfaatkan library RF24 sebagai metode pengiriman data.
Gambar 6. Perancangan perangkat lunak transmitter
Gambar diatas merupakan diagram alir dari program pada node transmitter untuk mengirimkan data dengan menggunakan low power. Sama seperti node transmitter tanpa menggunakan low power yaitu sebelum node dapat mengirimkan data, terlebih dahulu dilakukan import semua library untuk hardware maupun algoritma yang akan digunakan. Setelah
itu melakukan inisialisasi pada pin yang akan digunakan oleh NRF24L01. Channel juga harus diatur agar sama dengan yang digunakan node receiver yaitu 90 agar data dapat dikirimkan. Sedangkan untuk address yang digunakan pada node transmitter adalah 1. Proses selanjutnya adalah pembacaan data sensor dimana data tersebut berupa ukuran suhu disekitar node yang didapatkan dari sensor suhu LM35. Sebelum melakukan pengiriman data, node terlebih dahulu akan memperoleh keterangan apakah jaringan yang akan digunakan telah tersedia melalui fungsi network.update(). Jika jaringan telah tersedia maka akan terjadi proses pengiriman data kepada node receiver. Yang membedakan adalah setelah proses pengiriman data, node akan berada pada keadaan sleep. Hal ini dilakukan agar dapat mengurangi pemakaian sumber daya, fungsi ini lah yang digunakan untuk menerapkan low power pada node transmitter.
3.4 Perancangan Perangkat Lunak
Receiver
Gambar 7. Perancangan perangkat lunak receiver
Gambar 7 merupakan diagram alir dari program pada node receiver dalam menerima data. Sama halnya dengan node transmitter yaitu mengimport semua library untuk hardware maupun algoritma yang akan digunakan. Setelah itu melakukan inisialisasi pada pin yang akan digunakan oleh NRF24L01. Address yang digunakan pada node receiver adalah 0, sementara channel yang digunakan sama seperti channel pada node transmitter yaitu 90. Channel yang digunakan harus sama agar node dapat menerima data yang telah dikirim. Node akan terlebih dahulu memperoleh keterangan apakah jaringan yang akan digunakan telah tersedia melalui fungsi network.update(). Jika jaringan telah tersedia maka akan terjadi proses penerimaan data dari node transmitter. Ada 2 kemungkinan yang akan terjadi setelah proses penerimaan data. Yang pertama ialah apabila data yang diterima sesuai dengan yang diinginkan maka node akan menampilkan data tersebut berupa data perhitungan suhu melalui serial monitor pada laptop. Yang kedua ialah apabila tidak ada data yang diterima oleh node ataupun data yang diterima tidak sesuai maka node akan menampilkan tulisan “No data” pada
laptop melalui serial monitor.
3.5 Implementasi Perangkat Keras
Transmitter
Implementasi node transmitter dilakukan sesuai dengan perancangan perangkat keras yang telah terlebih dahulu dijelaskan. Implementasi perangkat keras transmitter dapat dilihat pada gambar dibawah ini
Gambar 8. Implementasi nodetransmitter
Perangkat keras node transmitter terdiri dari IC MSP430G2553 sebagai mikrokontroler, NRF24L01 sebagai modul wireless, LM35 sebagai sensor pendeteksi suhu, dan rangkaian penurun tegangan. Seluruh perangkat digabungkan menjadi satu agar dapat membentuk sebuah sistem pada node transmitter.
3.6 Implementasi Perangkat Keras
Receiver
Implementasi node receiver dilakukan sesuai dengan perancangan perangkat keras yang telah terlebih dahulu dijelaskan. Implementasi perangkat keras receiver dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 9. Implementasi node receiver
4. PENGUJIAN DAN HASIL
4.1 Pengujian Pengiriman Data Antar Node
Pengujian kali ini dilakukan untuk mengetahui akurasi dari pengiriman data dari node transmitter kepada node receiver. Terdapat 100 data yang akan dikirimkan dimana akan dibagi menjadi 5 percobaan, sehingga didapatkan 20 data setiap satu kali percobaan.
4.2 Pengujian Node Transmitter Tanpa Low Power
Pengujian kali ini dilakukan untuk mengetahui besaran arus yang dibutuhkan oleh node transmitter untuk mengirimkan data tanpa menggunakan low power. Sebelum IC MSP430G2553 dapat digunakan, terlebih dahulu dilakukan proses upload program yang telah dibuat kepada IC tersebut melalui bantuan Launchpad milik MSP430.
4.3 Pengujian Node Transmitter Dengan Low Power
Pengujian kali ini dilakukan untuk mengetahui besaran arus yang dibutuhkan oleh node transmitter untuk mengirimkan data dengan menggunakan low power. Sebelum IC MSP430G2553 dapat digunakan, terlebih dahulu dilakukan proses upload program yang telah dibuat kepada IC tersebut melalui bantuan Launchpad milik MSP430.
4.4 Hasil Pengujian Pengiriman Data Antar
Node
Hasil dari pengujian pengiriman data dari node transmitter menuju node receiver dapat dilihat pada Tabel dibawah ini.
Tabel 6. Hasil Pengujian Pengiriman Data Tanpa Penghalang
Tabel 7. Hasil Pengujian Pengiriman Data Dengan Penghalang
4.5 Hasil Pengujian Node Transmitter Tanpa
Low Power
Hasil dari pengujian besaran arus yang dibutuhkan oleh node transmitter tanpa low power dapat dilihat pada Tabel dibawah ini.
Tabel 8. Hasil Pengujian Node Tanpa Low Power
12 111 - 120
52,5 - 52,6
52,58
Dari hasil pengujian diatas dapat dianalisa bahwa arus yang digunakan oleh node transmitter dalam keadaan aktif berkisar dari 50,2 mA hingga 52,6 mA tetapi nilai perhitungan yang sering muncul adalah 52,5 mA. Perhitungan arus cukup stabil, tidak ada perubahan yang banyak dikarenakan node terus berada dalam keadaan aktif.
4.6 Hasil Pengujian Node Transmitter
Dengan Low Power
Hasil dari pengujian node transmitter dengan menggunakan low power dapat dilihat pada Tabel dibawah ini.
Tabel 9. Hasil Pengujian Node Dengan Low Power
Dari hasil pengujian diatas dapat dianalisa bahwa arus yang digunakan oleh node transmitter dalam keadaan aktif berkisar dari 52,3 mA hingga 52,8 mA. Sedangkan saat node dalam keadaan sleep arus yang digunakan turun menjadi berkisar dari 17,3 mA hingga 17,6 mA. Dengan penggunaan arus yang turun cukup banyak, maka penggunaan bateraipun dapat lebih hemat.
5. KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan hasil dari perancangan sitem, implementasi sistem, pengujian sistem, dan juga analisis sistem ini, dapat diambil beberapa kesimpulan antara lain sebagai berikut :
1. Terdapat 2 buah sensor node pada penelitian ini yaitu node transmitter dan node receiver. Setiap node menggunakan MSP430 sebagai mikrokontroler dan juga NRF24L01 sebagai modul wireless untuk berkomunikasi antar node. Yang membedakan adalah pada node receiver, MSP430 digunakan bersama dengan launchpadnya. Sedangkan pada node transmitter hanya menggunakan IC MSP430 saja dan juga ada beberapa komponen pendukung seperti LM35, ams1117, capasitor 22µf ,capasitor 10µf, diode 1n5401, dan juga LED. 2. Untuk dapat menghubungkan kedua
node menggunakan NRF24L01 dibutuhkan library yang mendukung NRF24L01 seperti library SPI.h dan RF24Network.h, kedua library ini dibutuhkan untuk perangkat keras NRF24L01. Kemudian ada juga library RF24.h yang digunakan untuk format pengiriman data pada NRF24L01. 3. Dari pengujian pengiriman data,
didapatkan hasil yang sangat baik pada percobaan pengiriman data tanpa penghalang. Dengan jarak mencapai 30 meter semua data dapat diterima oleh node receiver. Sedangkan didapatkan hasil yang kurang baik pada percobaan pengiriman data dengan penghalang. Karena pada jarak diatas 16 meter mulai banyak data yang tidak dapat diterima oleh node receiver. Untuk rata-rata prosentasenya, pada percobaan pengiriman data tanpa penghalang mencapai 100%. Sedangkan pada percobaan pengiriman data dengan penghalang hanya mencapai 87,7%. 4. Dari pengujian Low Power sensor node
mode didapatkan nilai rata-rata arus sebesar 34,95 mA dan penggunaan daya nya sebesar 0,1153 watt. Prosentase penurunan daya pada node tersebut mencapai 33,31 %. . Penggunaan mekanisme sleep mode dapat mempengaruhi arus yang digunakan oleh node dan berakibat juga pada daya yang digunakan. Dengan daya yang lebih kecil maka secara tidak langsung akan berpengaruh pada daya tahan baterai dan akan membuat baterai bertahan lebih lama.
5.2 Saran
Dari kesimpulan pada penelitian ini, didapatkan beberapa saran yang dapat digunakan untuk penelitian selanjutnya, antara lain:
1. Pada penelitian selanjutnya dapat menggunakan modul wireless lainya ataupun dapat melakukan penambahan antena pada NRF24L01 agar jangkauan pengiriman data antar node dapat lebih jauh.
2. Pada penelitian selanjutnya untuk penghematan baterai dapat menggunakan metode lain atau juga dapat melakukan penghematan baterai dari sisi penggunaan hardware.
6. DAFTAR PUSTAKA
Davies, J. H., 2008. MSP430 Microcontroller Basic. United States ofAmerica: Newnes.
Instrumen, T., 2016. LM35 Precision Centigrade Temperature Sensors. Nordic Semiconductor, 2007. nRF24L01
Single Chip 2.4GHz Transceiver. Pawar, B. P. L. &. A. M., 2011. Design and
Implementation of Sensor Node for Wireless Sensors Network to Monitor Humidity of High-Tech Polyhouse Environment. International Journal of Advances in Engineering & Technology, p. 11.
Prasojo, G., Akbar, S. . R. & Suharsono, . A., 2016. Implementasi Manajemen Perubahan State Prosesor Pada Wireless Sensor Node. p. 5.
S.B., R., 2010. An Ultra Low Powered Msp430 Microcontroller Based Control System for a Composting Process.
International Journal of Computer Applications .
Sohraby, K., Minoli, D. & Znati, T., 2007. Wireless Sensor Network. s.l.:s.n. Texas Instruments, 2016. LM35 Precision
