Impelementasi Hardware Redundancy Pada Switching Pintu Otomatis Dengan Metode Cold Standby Dan Watchdog

Fakultas Ilmu Komputer

7225

Impelementasi

Hardware

Redundancy

Pada

Switching

Pintu Otomatis

Dengan Metode

Cold

Standby

Dan

Watchdog

Muhammad Rifqi Muzaki1_{, Sabriansyah Rizqika Akbar} 2_{, Widhi Yahya}3

Program Studi Teknik Komputer, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya Email: 1_{mrifqi1101@gmail.com,} 2_{sabrian@ub.ac.id,} 3_{widhi.yahya@ub.ac.id}

Abstrak

Perangkat elektronik pasti memiliki batas masa pakai dan sewaktu – waktu dapat mengalami kerusakan. Sebuah sistem yang terdiri dari beberapa perangkat elektronik akan mengalami kegagalan jika komponen yang krusial mengalami kerusakan. Oleh karena itu komponen krusial dalam sebuah sistem harus lebih handal. Untuk meningkatkan kehandalan sistem sebuah mekanisme seperti Hardware

Redundancy bisa diterapkan. Hardware Redundancy merupakan sebuah mekanisme meningkatkan

kehandalan dengan cara menduplikat komponen penting sebagai cadangan. Terdapat beberapa jenis dari mekanisme Hardware Redundancy yang salah satunya adalah Cold Standby Redundancy yang menggunakan konsep cadangan tanpa catu daya. Konsep Cold Standby adalah menambahkan duplikat komponen penting yang standby tanpa catu daya dan akan aktif ketika komponen penting tersebut mengalami kerusakan. Pada penelitian ini Cold Standby Redundancy diterapkan pada sebuah sistem kunci pintu otomatis berbasis Arduino Uno dan RFID. Komponen penting pada sistem tersebut adalah Arduino Uno yang bertindak sebagai kontroler dalam sistem. Implementasi cold standby redundancy

pada sistem ini menggunakan perangkat pihak ketiga (Arduino Nano) sebagai fault detector pada Arduino Uno yang utama (master). Melalui komunikasi serial I2C master mengirimkan keep-alive

status secara periodik kepada fault detector sebagai tanda apakah masih beroperasi atau sedang

mengalami kerusakan. Selain itu terdapat perangkat switch yang bertugas mengalihkan kontrol sistem

ke master atau slave. Fault detector akan mengirimkan trigger untuk melakukan peralihan kepada

perangkat switch ketika mendeteksi kerusakan pada master. Berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan, kehandalan sistem meningkat setelah menerapkan mekanisme Cold Standby Redundancy. Nilai kehandalan sistem meningkat sebesar 15.45% untuk satu tahun waktu beroperasi.

Kata kunci: Fault Tolerant, Reliability, Hardware Redundancy, Cold Standby Redundancy

Abstract

Electronic devices must have a lifetime limit and may be damaged at any time. A system consisting of several electronic devices will fail if the crucial component is damaged. Therefore, crucial components in a system should be more reliable. To improve system reliability a mechanism such as Hardware Redundancy can be applied. Hardware Redundancy is a mechanism to improve reliability by duplicating important components as backup. There are several types of Hardware Redundancy mechanisms, one of which is Cold Standby Redundancy which uses the unpowered backup concept. The Cold Standby concept is to add a duplicate of an important component that standby without a power supply and will be active when the component is damaged. In this study Cold Standby Redundancy is applied to an automatic door lock system based on Arduino Uno and RFID. An important component of the system is Arduino Uno which acts as a controller in the system. Implementation of cold standby redundancy on this system uses a third party device (Arduino Nano) as the fault detector of main Arduino Uno (master). Through I2C serial communication the master sends keep-alive status periodically to the fault detector as a sign of whether it is still operating or is being damaged. In addition there is a switch device in charge of switching the system control to master or slave. The fault detector sends the trigger to make a switch to the switch device when it detects damage to the master. Based on the results of tests that have been done, system reliability increases after applying the Cold Standby Redundancy mechanism. System reliability value increased by 15.45% for a year operating time.

1. PENDAHULUAN

Sebuah sistem otomatis dalam segi penggunaan memiliki sisi fungsional dan non-fungsional. Sisi fungsional adalah bagaimana sistem bekerja berdasarkan tujuannya. Sedangkan sisi non fungsional adalah bagaimana sistem dapat tetap berjalan dengan adanya faktor – faktor yang dapat mengakibatkan sisem mengalami kegagalan. Kegagalan yang terjadi pada sistem critical seperti sistem control pesawat akan berdampak buruk. Adanya cacat di sistem ini kemungkinan akan menyebabkan kehancuran pesawat, seperti yang terjadi pada peluncuran Lewis spacecraft milik NASA pada tanggal 23 agustus 1997 (NASA, 2000).

Salah satu sistem otomatis yang diteliti dalam penelitian ini adalah sistem pengunci pintu otomatis. Diantara beberapa teknologi kunci pintu otomatis yang paling banyak dikembangkan saat ini adalah kunci pintu otomatis berbasi RFID (Radio Frequency

Identification). Dimana sistem ini bekerja

berdasarkan pembacaan kartu RFID yang didekatkan pada RFID reader, data pada kartu akan dicocokkan dengan data yang tersimpan pada memori program Arduino untuk menentukan otorisasi dari pemilik kartu (Nehete, et al., 2016). Meskipun demikian perangkat kunci pintu otomatis adalah perangkat elektronik yang pasti akan mengalami kesalahan atau kerusakan.

Apabila hal ini terjadi maka akan

berdampak pada pintu yang tidak bisa

dibuka dan tentunya itu merugikan.

Oleh karena itu sebuah sistem pengunci pintu otomatis harus dependable. Terdapat beberapa atribut dari dependability sebuah sistem. Salah satu atribut utamanya adalah reliability

(kehandalan). Reliability atau jika disimbolkan menjadi R(t) merupakan probabilitas jalannya sebuah sistem tanpa adanya kegagalan dalam interval waktu tertentu atau [0, t], dimana sistem mulai beroperasi pada waktu ke 0 (Dubrova, 2013).

Redundansi merupakan salah satu metode yang umum digunakan untuk meningkatkan kehandalan (reliability) dan ketersersediaan

(availability) pada sebuah sistem. Ada beberapa

jenis redundansi yang ada saat ini, yaitu

hardware redundancy, software redundancy, information redundancy, dan time redundancy.

Untuk penelitian ini jenis redundansi yang digunakan adalah hardware redundancy.

Hardware Redundancy adalah teknik

redundansi yang dilakukan pada level hardware

atau komponen fisik (Dubrova, 2013). Salah satu jenis hardware redundancy adalah standby

redundancy, yaitu unit spare bersifat standby

dan aktif ketika komponen utama mengalami kerusakan. Standby redundancy sendiri memiliki dua metode yaitu cold standby dan hot

standby. Pada cold standby unit standby yang

tidak tercatu daya, sedangkan pada hot standby

unit standby tercatu daya.

Metode redundansi yang akan diimplementasikan pada sistem kunci pintu otomatis ini adalah cold standby redundancy.

Cold standby redundancy adalah sebuah

mekanisme menambahkan duplikat dari suatu komponen dalam keadaan mati sebagai pengganti yang akan aktif ketika komponen tersebut mengalami kegagalan. Cold standby

memiliki keunggulan dari segi konsumsi energi dan keandalan unit lebih terjaga karena unit

standby tidak tercatu daya (National

Instruments, 2008).

Pada penelitian ini perangkat yang akan diredundansi adalah controller unit (Arduino Uno) karena controller unit merupakan critical

component dari sistem. Pada sistem ini

digunakan pendekatan mekanisme Keep-alive

dengan memanfaatkan komunikasi serial yang ada pada Arduino. Slave controller dipasang dalam keadaan mati (tidak tercatu daya) dan akan dinyalakan oleh perangkat fault detector

yang secara periodik menerima sinyal dari

master controller. Ketika sinyal Keep-alive yang

diterima perangkat fault detector dari master

controller berhenti, maka diasumsikan master

controller mengalami fault atau mati. Ketika itu

terjadi maka proses switching dari perangkat

fault detector untuk menghidupkan slave

controller dan menggantikan master controller

akan terjadi.

2. PERANCANGAN SISTEM

Master controller

Gambar 1. Blok diagram sistem

Berdasarkan Gambar 1 berikut detil hubungan secara hardware antar komponen :

1. Master Controller (Arduino Uno) dan Fault

detector (Arduino Nano) terhubung melalui

antarmuka komunikasi serial I2C dengan alamat 42.

2. Digital pin output dari fault detector

terhubung dengan perangkat switch dimana seluruhnya merupakan digital output

trigger untuk mengalihkan sistem ke slave

controller.

3. Digital pin I/O master controller dan slave

controller (Arduino Uno) terhubung

dengan perangkat Switch (Relay module).

4. Switch (Relay Module) terhubung dengan

master controller, slave controller, fault

detector dan perangkat I/O sistem. Semua

terhubung dengan antarmuka digital kecuali

power source. Relay module yang

digunakan masing 8 channel untuk input dan 4 channel untuk output.

5. Konfigurasi jalur relay Normally Close

(NC) dipasangkan untuk master controller, sedangkan Normally Open (NO) dipasangkan untuk slave controller. Jalur COM dipasangkan untuk perangkat Input dan Output.

Berdasarkan Gambar 1 berikut detil hubungan secara hardware antar komponen :

1. Kode program master controller

dimodifikasi untuk mengirim keep-alive

status kepada fault detector melalui

komunikasi serial I2C dengan Fungsi

Wire.requestFrom().

2. Fungsi Wire.requestFrom() dijalankan di dalam fungsi VirtualDelay dari library

VirtualDelay. Tujuannya adalah agar

pengiriman keep-alive status berjalan secara multitask dan tidak mengganggu jalannya program yang sudah ada.

3. Keep-alive dibaca berkala oleh fault

detector menggunakan fungsi

Wire.onRequest() dari library wire.h yang

mana fungsi tersebut bekerja dengan fungsi berbasis event yaitu requestEvent().

4. Slave controller di berikan duplikat kode

program dari master controller sebelum dimodifikasi.

Alur kerja sistem dibuat berdasarkan blok diagram pada Gambar 1. Alur kerja sistem dapat dilihat pada Gambar 2.

Mulai

Gambar 2. Diagram alir sistem

2.1 Perancangan pada Master Controller

Master controller mengirimkan keep-alive

status kepada fault detector seacara periodik. Unit ini bekerja berdasarkan Keep-alive status dari master. Pengiriman dilakukan menggunakan komunikasi serial I2C dan

VirtualDelay library agar pengiriman berjalan

secara multitask. Diagram alir pada master

Mulai

kirim Keep-alive

Power off / infinite loop

Berhenti kirim Keep-alive

Selesai

Gambar 3. Diagram alir master controller

2.2 Perancangan pada Fault Detector

Fault detector atau fault detector bertugas

mendeteksi kegagalan yang terjadi pada master.

Faultdetector harus mampu membedakan antara

kegagalan yang memerlukan failover atau tidak. Hal ini karena Fault detector juga bertanggung jawab atas keputusan switch modul untuk melakukan failover maupun failback. Diagram alir faultdetector dapat dilihat pada Gambar 4.

Dari master

Master Keep-alive status

Selesai Fail over berhenti

Y

N

pressed

Y

Failback Tombol Reset

N

Reset

Gambar 4. Diagram alir fault detector

2.3 Perancangan pada Switch

Switch module bertanggung jawab

mengalihkan dari master ke slave (fail over) maupun dari slave ke master (fail back). Perangkat switch merupakan actuator dari perangkat fault detector berupa relay module.

Switch bekerja berdasarkan output trigger dari

Faultdetector.

2.4 Perancangan pada Slave Controller

Slavecontroller bertugas sebagai pengganti

ketika mastercontroller mengalami kegagalan.

Slave bekerja dibawah kendali switch yang

mengalihkan catu daya serta I/O dari master. Diagram alir slave controller dapat dilihat pada Gambar 5.

Gambar 5. Diagram alir slave controller

3. IMPLEMENTASI SISTEM

Sub bab ini menjelaskan bagaimana proses implementasi dari desain dan perancangan sistem terhadap kebutuhan-kebutuhan yang sudah dikumpulkan. Perangkat keras dari analisis kebutuhan di rancang konfigurasi hubungan pin antar perangkan hingga membentuk prototipe alat.

Berdasarkan desain rancangan yang telah dilakukan hasil implementasi perangkat keras dapat dilihat pada Gambar 6.

Mulai

Trigger switch

Power Up

Selesai On atau Off

On

Gambar 6. Implementasi perangkat keras

Keterangan masing-masing komponen

dari Gambar 6 :

1. Arduino Uno (Master)

2. Arduino Uno (Slave)

3. Arduino Nano (Fault Detector)

4. Relay 8 channel (Switch untuk input)

5. Relay 4 channel (Switch untuk output)

6. RFID reader

7. Relay 1 channel sebagai kontrol solenoid

8. Solenoid door lock

9. I2C LCD 16x2

10. Buzzer

4. PENGUJIAN DAN ANALISIS

4.1 Pengujian Fungsional

Pengujian fungsional yang pertama adalah pengujian terhadap transaksi keep-alive status yang dilakukan untuk melihat apakah pengiriman dan pembacaan keep alive status berjalan dengan benar atau tidak. Pengujian ini dilakukan dengan memantau transaksi melalui

serial monitor dari sisi penerima (fault detector).

Hasil pengujian transaksi keep-alive status yang dilakukan pada master controller dan fault

detector ini dapat dilihat pada gambar 7.

Gambar 7. Hasil pengujian transaksi keep alive

Melihat hasil dari pengujian tersebut dapat dilihat bahwa transaksi keep-alive status

berjalan dengan baik. Jika diperhatikan hasil pengujian pada Gambar 7 terdapat dua jenis pesan yang diterima fault detector. “Master

Status : ONLINE” merupakan pesan yang mengindikasikan bahwa master controller

beroperasi dengan normal. Sedangkan “Master Status : OFFLINE” mengindikasikan bahwa

master controller mati atau error.

Mulai

Fail over ke Slave

Selesai Hidupkan Sistem

Matikan perangkat master

Hidupkan kembali perangkat master

Reset Fault Detection Unit

Mulai

Fail over ke Slave

Selesai Hidupkan Sistem

Tambahkan infinite loop pada program

Hilangkan infinite loop pada program

Fail back ke master Fail back ke master

Reset Fault Detection Unit

Gambar 8. Skenario pengujian switching secara

hardware (kiri) dan software (kanan)

Selanjutnya adalah pengujian switching

redundansi secara fisik. Pada pengujian ini akan terlihat apakah sistem redundansi mampu melakukan switching dan sistem kunci pintu otomatis tetap berjalan normal atau tidak. Pengujian dilakukan dengan menjalankan skenario pada Gambar 8 sebanyak 10 kali. Skenario pengujian switching terdiri dari dua skenario yaitu power off (secara hardware) dan

infinite loop (secara software).

Hasil dari pengujian switching dengan skenario power off dapat dilihat pada Tabel 1.

Tabel 1. Hasil pengujian power off

Pengujian

ke- Failover Failback

Fungsi

hasil dari pengujian dengan skenario infinite loop dapat dilihat pada Tabel 2.

Tabel 2. Hasil pengujian infinite loop

Pengujian

ke- Failover Failback

Fungsi

4.2 Pengujian Non Fungsional

Pengujian non fungsional dilakukan untuk menguji kebutuhan sistem diluar dari fungsi tujuan sistem. Dalam hal ini penulis menguji akurasi dari pengiriman serta pembacaan

Keep-alive status antara perangkat masterdengan fault

detector. Selain akurasi penulis juga menguji

jeda waktu error dengan switchingfail over dan jeda waktu hingga sistem siap dioperasikan.

Pengujian akurasi Keep-alive status dilakukan dengan menampilkan nilai dua variabel yang menyimpan nilai Keep-alive status

yg selalu berubah – ubah. Nilai akurasi ditentukan dengan melihat nilai kedua variabel tersebut. Jika nilainya berbeda maka artinya akurat, jika sama maka tidak akurat. . Hasil pengujian dapat dilihat pada Gambar 9.

Gambar 9. Hasil pengujian akurasi keep-alive

Hasil tersebut menunjukkan 7 dari 10 transaksi yang akurat. Angka tersebut menandakan bahwa dari 5 detik operasi sistem redundansi terdapat 1,5 detik (3 kali 0,5 detik tidak berturut – turut) transaksi yang tidak akurat. Namun dengan tingkat akurasi tersebut sudah membuat sistem redundansi tidak mengalami kegagalan switching sama sekali dalam 10 kali percobaan.

Pengujian jeda switching dilakukan untuk mengetahui berapa lama jeda switching dan berapa lama jeda yang dibutuhkan setelah switching sampai sistem dapat berfungsi normal. Jeda yang diberikan pada program adalah 5 detik untuk mempertimbangkan keputusan

switching.

Pengujian dilakukan dengan bantuan fitur

stopwatch pada ponsel genggam untuk

menghitung waktu sebenarnya. Setelah dilakukan pengujian waktu stopwatch

menunjukkan 1 detik lebih lambat dari waktu jeda yang disematkan pada program yaitu 6 detik. Sedangkan untuk jeda waktu setelah

switching sampai sistem siap digunakan adalah 2

detik. Dengan demikian waktu jeda total dari saat error terjadi hingga perangkat slave siap beroperasi adalah 8 detik.

4.3 Analisis Reliability

Hasil pengujian yang sudah dilakukan akan dianalisis untuk membuktikan apakah reliability

Dengan pemodelan dependability akan dapat diketahui peningkatan reliability pada sistem.

Langka awal analisis adalah melalui pemodelan Reliability Block Diagram (RBD). RBD sistem dapat dilihat pada Gambar 7.

Gambar 10. Hasil Pemodelan RBD sistem

Failure rate Arduino Uno dibutuhkan untuk

menganalisis reliability. Dengan menggunakan failure rate Arduino Uno

2.0559 x 10

-5

per jam

reliability Arduino Uno adalah sebagai berikut.

𝑅(𝑡) = 𝑒

−𝜆𝑡

𝑅(𝑡) = 𝑒

−2.0559×10−5_×8760

𝑅(𝑡) = 0.8351

Berdasarkan RBD yang sudah dimodelkan pada Gambar 10 dapat dilihat bahwa sistem tersebut adalah parallel. Dalam sistem yang parallel dibutuhkan setidaknya satu komponen bekerja. Berikut persamaan reliability yang didapatkan untuk mengevaluasi reliability.

𝑅(𝑡) = 1 − ∏(1 − 𝐶𝑖(𝑡))

Dari hasil perhitungan diatas didapatkan nilai R(t) = 0.9896 atau dengan kata lain sistem kunci pintu otomatis berbasis Arduino Uno dengan cold standby redundancy memiliki nilai

reliability 98.96%.

Apabila sistem kunci pintu otomatis tanpa

cold standby redundancy maka akan menjadi

sistem seri dan akan menghasilkan perhitungan sebagai berikut.

Dari perhitungan tersebut menghasilkan nilai R(t) = 0.8351 atau dengan kata lain dengan sistem seri nilai reliability sistem adalah 83.51%.

5. KESIMPULAN

Perancangan perangkat keras sistem

hardware redundancy dengan metode cold

standby membutuhkan 3 komponen utama yaitu

redundant unit (slave), fault detector, dan juga

switch. Ketiga komponen tersebut harus

dikonfigurasi sesuai fungsi masing masing.

Faultdetector berperan sangat penting sehingga

harus memiliki reliability yang sangat tinggi karena harus memantau dan memutuskan untuk

switching ketika sistem fail. Switch (relay) yang

bertugas merubah jalur digital I/O dari master ke slave dan sebaliknya juga harus dikonfigurasi dengan teliti karena terdapat banyak sekali

wiring yang rawan terjadi kesalahan.

Untuk melakukan transaksi keep-alive

tersebut keduanya membutuhkan library wire

dan di sisi master ditambahkan library

VirtualDelay agar pengiriman keep-alive status

berjalan secara multitask. Berdasarkan hasil pengujian akurasi dan timeout switching ternyata terjadi perbedaan jeda dimana konfigurasi pada program jeda hanya 5 detik namun switching

baru terjadi pada detik ke 6. Hal ini mungkin disebabkan oleh tingkat akurasi transaksi

keep-alive yang masih belum maksimal yaitu 70%.

Namun hasil tersebut tidak mengganggu sistem redundansi yang berjalan lancar selama 20 kali pengujian (secara hardware dan software) tanpa ada kegagalan satu pun.

Hasil analisis perhitungan reliability

sistem tanpa redundansi dengan sistem yang menggunakan redundansi dapat disimpulkan bahwa sistem dengan redundansi memiliki nilai

reliability yang lebih tinggi. Hal ini

membuktikan bahwa sistem paralel lebih

reliable daripada sistem seri. Hasil analisis

menunjukkan peningkatan reliability sebesar 15.45% dengan nilai failure rate Arduino Uno

2.0559 x 10

-5

_{per jam}

_.

C

1

C

2

DAFTAR PUSTAKA

Dubrova, E., 2013. Fault-Tolerant Design. New York: Springer Science+Business Media.

NASA, 2000. The Role of Small Satellites in NASA and NOAA Earth Observation Programs. .Space Studies Board, National Research Council, National Academy of Sciences, Washington, USA .

National Instruments, 2008. Redundant System Basic Concepts. [Online]

Tersedia di: http://www.ni.com/white-paper/6874/en/ [Diakses pada 8 September 2017].

Nehete, P. R., Chaudhari, J., Pachpande, S. & Rane, K., 2016. Literature Survey on Door Lock Security Systems. International

Journal of Computer Applications, Volume