Journal of Control and Network Systems

Transkripsi

1 JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Journal of Control and Network Systems Situs Jurnal : RANCANG BANGUN WIRELESS SENSOR NETWORK UNTUK MONITORING SUHU DAN KELEMBABAN PADA LAHAN TANAMAN JARAK Kusbiono Wisnu Pambudi 1) Jusak 2) Pauladie Susanto 3) Program Studi/Jurusan Sistem Komputer STMIK STIKOM Surabaya Jl. Raya Kedung Baruk 98 Surabaya, )Nuepzzz@gmail.com, 2)Jusak@stikom.edu, 3)Pauladie@stikom.edu Abstract: One source of vegetable oil that is highly prospective to be used as raw material for biodiesel is Jatropha Curcas L. In order to achieve maximum oil of the Jatropha, temperature and soil moisture around the plant needed controlled continuously. Conseguentyl, a set of electronic is equipment needed to monitor the temperature and the soil moisture. In this final project, we employ Wireless Sensor Network (WSN) Technology. WSN is a wireless network consisting of spatially distributed autonomous devices using sensors to monitor physical or environmental conditions. So as the result, this support device sensors can control temperature and soil moisture around Jatropha plantation easily. WSN testing protocol comunnication,showed that the sending or receiving data accord with the address of the node destination and it has distance range of up to 100 meters. And the average percentage error in moisture sensor node1 is 4% and node2 is 5.1%, the temperature sensor node1 is 0.43% and node2 is 3.87%. Where as in the process of data validation, 95% of the system works well. Key words: WSN, moisture, temperature, jatropha, monitoring Selama ini Indonesia mengalami ketergantungan terhadap minyak bumi dan jumlah pasokan dan cadangan minyak bumi Indonesia semakin berkurang. Maka sudah saatnya mengembangkan sumber energi alternatif terbaru berbahan baku minyak nabati yaitu biodiesel. Minyak nabati yang dihasilkan oleh tanaman jarak pagar (Jatropha Curcas L.). tidak termasuk dalam kategori minyak makan (edible oil), dan dapat dimanfaatkan sebagai bahan baku biodiesel. Biji (dengan cangkang) jarak pagar mengandung 20-40% minyak nabati, namun bagian inti biji (biji tanpa cangkang) dapat mengandung 45-60% minyak kasar. Supaya mendapatkan hasil minyak yang maksimal, diperlukan suatu alat yang dapat menginformasikan keadaan tersebut secara terus menerus (real time). Selama ini proses monitoring suhu dan kelembaban tanah dilakukan secara manual. Untuk memudahkan para petani monitoring suhu dan kelembaban tanah disekitar perkebunan tanaman jarak yang begitu luasnya maka diperlukannya suatu alat yang dapat menginformasikan keadaan tersebut secara terus menerus (real time) yaitu dengan Wireless sensor network. Dengan begitu para petani tidak perlu berkeliling mengecek satu persatu lokasi lahan tanaman jarak. Wireless sensor network (WSN) merupakan jaringan nirkabel yang terdiri dari beberapa alat sensor yang saling bekerja sama untuk memonitor fisik dan kondisi lingkungan seperti temperature, air, suara,getaran atau gempa, polusi udara dan lain-lain ditempat yang berbeda. Perkembangan wireless sensor pada awalnya digunakan oleh pihak militer sebagai aplikasi untuk keperluan pengawasan. Namun saat ini banyak digunakan oleh masyarakat umum antara lain untuk aplikasi lingkungan, memonitor JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 9

2 tempat tinggal dan digunakan untuk aplikasi kesehatan. Adapun permasalahan yang akan dihadapi oleh penulis ke depannya dalam proses pengerjaan tugas akhir adalah bagaimana marancang bangun jaringan WSN terdiri atas node & coordinator untuk mengambil data suhu dan kelembaban tanaman jarak. Tujuan pembuatan tugas akhir ini adalah rancang dan bangun WSN dengan perangkat pendukung sensor node untuk mempermudah monitoring suhu dan kelembaban tanah di sekitar perkebunan tanaman jarak. METODE Perancangan Sistem Secara garis besar dari keseluruhan sistem pada alat ini sesuai dengan blok diagram pada Gambar 1. coordinator baru mengirimkan data yang diterima sebelumnya ke router user. Proses kedua ini akan terjadi apabila direset pada bagian arduino(coordinator) dan apabila daya untuk coordinator dicabut. Perancangan Perangkat Keras Arduino uno Pada perancangan ini, arduino berfungsi sebagai pusat pengendali dari setiap node pada sistem secara keseluruhan. Tugas utama arduino adalah memproses data yang dikirimkan dan yang diterima oleh arduino/ node yang lain, yaitu: Setelah proses pembacaan sensor suhu atau kelembaban tanah, arduino akan mengirimkan data tersebut pada node coordinator. Gambar 2. Arduino Uno R3 Sisi Depan(Kiri) Dan Belakang(Kanan). Gambar 1. Blok diagram sistem keseluruhan Proses pertama adalah saat coordinator belum mempunyai data awal, yang dimaksud data awal adalah data yang pertama kali diterima oleh coordinator dari setiap endpoint. Sehingga apabila coordinator baru pertama kali menerima data, maka coordinator langsung mengirimkan data tersebut ke router user. Sedangkan proses kedua adalah apabila coordinator sudah memiliki nilai awal, maka coordinator akan mengirim balik ke endpoint untuk mengecek data karena ada perubahan data dari yang sebelumnya. Kemudian pada endpoint tersebut akan membandingkan data yang dikirim oleh coordinator dengan data yang diterima oleh coordinator. Apabila data yang dibandingkan oleh endpoint tersebut tidak sama maka endpoint tidak akan memprosesnya, tetapi apabila data tersebut sama maka endpoint tersebut mengirimkan data dua digit awal dari data tersebut saja. Selanjutnya apabila coordinator menerima data dua digit saja(id) maka Arduino ini berisi semua yang diperlukan untuk mendukung mikrokontroler, untuk mengaktifkan cukup menghubungkannya ke komputer dengan kabel USB dengan adaptor AC- DC atau baterai. Pada perancangan ini membahas tentang koneksi sensor dengan arduino yang menggunakan kabel sebagai media penghubungnya. Sensor yang digunakan adalah sensor DHT11 sebagai sensor suhu dan soil moisture adalah sebagai sensor kelembaban tanah, sebelum sensor dihubungkan dengan arduino harus menentukan pin dengan benar pada arduino supaya dalam pengiriman data dari sensor ke arduino sukses, JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 10

3 Gambar 3. Sensor yang Terhubung Dengan Arduino. Pada Gambar 3. ditunjukkan dua buah sensor yang terhubung dengan arduino yaitu sensor DHT11 dan sensor moisture, dengan ketentuan: 1. Pin out vcc pada sensor DHT11 dihubungkan pin out 5v pada arduino. 2. Pin out data pada sensor DHT11 dihubungkan pin in digital 2 pada arduino. 3. Pin out gnd pada sensor DHT11 dihubungkan pin in gnd pada arduino. 4. Pin out vcc pada sensor moisture dihubungkan pin out 3.3v pada arduino. 5. Pin out data pada sensor moisture dihubungkan pin in analog 3 pada arduino. 6. Pin out gnd pada sensor moisture dihubungkan pin in gnd pada arduino. Xbee dan Xbee Shield Xbee merupakan perangkat yang menunjang komunikasi data tanpa kabel (wireless). Untuk menghubungkan dengan arduino digunakan shield supaya lebih mudah dalam perakitan seperi pada Gambar 4. Ada 2 jenis xbee yaitu : - Xbee (Xbee Series 1) Xbee series 1 hanya dapat digunakan untuk komunikasi point to point dan topologi star dengan jangkauan 30 meter indoor dan 100 meter outdoor. - Xbee ZB Series 2 Xbee series 2 dapat digunakan untuk komunikasi point to point, point to multipoint dan topologi star, dan topologi mesh dengan jangkauan 40 meter indoor dan 100 meter outdoor. Xbee series 1 maupun series 2 tersedia dalam 2 bentuk berdasarkan kekuatan transmisinya yaitu xbee reguler dan xbeepro. Xbee reguler biasa disebut dengan xbee saja(robosoccer, 2012). Xbee-PRO mempunyai kekuatan transmisi lebih kuat, ukuran perangkatnya lebih besar, dan harganya lebih mahal. Xbee-PRO mempunyai jangkauan indoor mencapai 60 meter dan outdoor mencapai 1500 meter(arduino, 2011). Untuk mensetting xbee sebagai endpoint isi PAN ID=11, DH=13A200, DL=407B4F3E(id xbee pada coordinator). Sedangkan pada coordinator isi PAN ID=11, DH=0, DL=FFFF(pengiriman broadcast). Gambar 4. Xbee dan Xbee Shield. Soil moisture sensor (SEN0114) Soil Moisture Sensor adalah sensor yang dapat mendeteksi kelembaban tanah disekitarnya. Sensor ini terdiri dari dua probe untuk melewatkan arus listrik dalam tanah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Kemudian membaca resistansinya untuk mendapatkan nilai tingkat kelembaban. Semakin banyak air membuat tanah lebih mudah menghantarkan listrik (resistansi kecil), sedangkan tanah yang kering sangat sulit menghantarkan listrik (resistansi besar). Gambar 5. Soil Moisture Sensor. Sensor ini sangat membantu mengingatkan tingkat kelembaban pada tanaman atau untuk memantau kelembaban tanah untuk pertanian. IO JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 11

4 Expansion Shield adalah shield untuk menghubungkan sensor dengan Arduino (DFrobot, 2012). DHT11 Temperature and humidity sensor (DFR0067) DHT11 adalah sensor Suhu dan Kelembaban, dia memiliki output sinyal digital yang dikalibrasi dengan sensor suhu dan kelembaban yang kompleks. Teknologi ini memastikan keandalan tinggi dan sangat baik stabilitasnya dalam jangka panjang. mikrokontroler terhubung pada kinerja tinggi sebesar 8 bit. Sensor ini termasuk elemen resistif dan perangkat pengukur suhu NTC. Memiliki kualitas yang sangat baik, respon cepat, kemampuan anti-gangguan dan keuntungan biaya tinggi kinerja. Diagram alir untuk proses endpoint 1 dan endpoint2 sebagai berikut: Tidak start inisialisasi Pengiriman data Menunggu selama 60 detik ada data masuk? Ya validasi data end Gambar 7. Diagram alir pada endpoint Gambar 6. Sensor DHT11. Setiap sensor DHT11 memiliki fitur kalibrasi sangat akurat dari kelembaban ruang kalibrasi. Koefisien kalibrasi yang disimpan dalam memori program OTP, sensor internal mendeteksi sinyal dalam proses, kita harus menyebutnya koefisien kalibrasi. Sistem antarmuka tunggal-kabel serial terintegrasi untuk menjadi cepat dan mudah. Kecil ukuran, daya rendah, sinyal transmisi jarak hingga 20 meter, sehingga berbagai aplikasi dan bahkan aplikasi yang paling menuntut. Sensor ini memiliki 4 pin baris paket tunggal seperti pada Gambar 6. Perancangan Perangkat Lunak Selain perancangan hardware yang diperlukan pada perancangan sistem wireless sensor network untuk monitoring suhu dan kelembaban tanah pada lahan tanaman jarak meliputi algoritma dan program pada IDE arduino beserta flowchart yang menjelaskan alur proses program tersebut. Program arduino sebagai endpoint 1 dan endpoint 2 Pada Gambar 7 terdiri tiga bagian utama yaitu: a. Inisialisasi. Pada dasarnya alur dari endpoint1 dengan endpoint2 sama hanya terdapat perbedaan kode id endpoint masing-masing dan logika program penerimaan masingmasing. Maka dalam pemrograman endpoint1 ini diberi kode id 11 sedangkan endpoint2 adalah 22. Pada pemrograman ini diasumsikan pada endpoint1 yaitu dimulai dari pembacaan sensor DHT11 dan sensor moisture, lalu data dari setiap sensor disimpan didalam variable masing-masing yaitu variabel suhu untuk output data dari sensor DHT11 dan variabel soil untuk output data dari sensor moisture. Selanjutnya dilakukan pengecekan status dari sensor DHT11 apakah sensor tidak ada error misalnya ada kabel yang tidak terhubung dengan baik. Apabila sensor tersebut terdapat error maka sensor akan memberikan informasi bahwa JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 12

5 error=1, sedangkan jika tidak terdapat error maka error=0. Kemudian pembacaan sensor dari sensor moisture dan hasil output sensor disimpan ke dalam variabel soil, supaya nilai dari soil menjadi satuan %RH dan terkalibrasi dengan alat ukur yang ditetapkan. Pada sensor moisture ini memiliki rumus 3 macam, yaitu kering, lembab dan basah. Untuk mencari nilai kelembaban 1%RH pada output dari sensor. 1%RH= nilai max sensor nilai min sensor nilai max alat ukur nilai min alat ukur Misalnya: - Kondisi kering 1%RH= %RH= Kondisi lembab 1%RH== %RH= Kondisi basah 1%RH== %RH= Untuk potongan source code pada endpoint1/endpoint2, mulai dari pembacaan nilai dari sensor sampai dengan perhitungan untuk kalibrasi dengan alat ukur kelembaban yang sudah ditentukan yaitu: soilm=(analogread(3)); if(soilm>=0 && soilm<=358) soil=soilm/11.93;} else if(soilm>=359 && soilm<=460) soil=(soilm-359)/2.10; soil=soil+30;} else if(soilm>=461) soil=(soilm-461)/1.7; soil=soil+79;} Kemudian lanjut ke proses pembacaan sensor DHT11, akan tetapi sebelum itu harus melihat nilai error dari pengecekan sensor pada awal program. Apabila nilai error==0 maka proses pembacaan dimulai, sedangkan nilai error==1 maka nilai suhu=0 dan data yang dikirim seperti pada Gambar 8. Untuk potongan source code seperti dibawah ini: if (error==0) suhu=(unsigned long)dht11.temperature, 2; suhu=suhu*1000;} else suhu=0;} Gambar 8. Output Sensor Suhu Saat Terdapat Error. b. Pengiriman data. Dalam suatu jaringan selalu memiliki perbedaan id node masingmasing. Selanjutnya nilai dari id digabungkan/encapsulasi dengan nilai-nilai sensor masing-masing. Misanya pada endpoint1 nilai suhu=23 dan kelembaban=100 maka data yang akan dikirimkan kepada node yang dituju (coordinator) adalah , data ini berasal dari nilai id dikalikan dijumlahkan dengan nilai dari suhu dikalikan 1000 dan terakhir dijumlahkan dengan nilai kelembaban. Gambar 9. Contoh Endpoint Mengirimkan Kode Setelah Dicek Terlebih Dahulu. c. Validasi data. Setelah data dikirimkan ke coordinator, endpoint1 akan menunggu selama 60 detik untuk menunggu kabar dari coordinator. Apabila coordinator tidak mengirim data ke endpoint1 selama proses menunggu selesai endpoint akan membaca data dari sensor kembali, tetapi apabila coordinator mengirim data kembali ke endpoint1 berarti JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 13

6 terjadi perubahan data. Data yang telah dikirimkan ke endpoint1 akan dicek lagi oleh endpoint1 apakah data benar atau sama dengan nilai data terakhir yang telah dikirimkan ke coordinator dari node endpoint, apabila data sama endpoint1 akan mengirim kode id saja ke coordinator yang seperti ditunjukkan Gambar 9. Program arduino sebagai coordinator Coordinator sebenarnya hanya sebagai pengantar data ke alamat yang dituju, tetapi disini coordinator pengiriman bersifat broadcast sehingga data sebenarnya dikirim ke semua node yang terhubung langsung. Tetapi node yang menerima data dari coordinator dapat mengerti apakah data itu untuk node tersebut, jadi kesimpulannya coordinator mengirim data dengan cara broadcast tetapi data yang terkirim akan selalu diterima pada node yang ditujukan. Alur Program pada coordinator dapat dilihat flowchart dalam Gambar 10. start inisialisasi Ada data masuk Data disimpan Data dari node1? Data disimpan ditambahkan angka1 pada awal data dan dikirim end Data disimpan ditambahkan angka 2 pada awal data dan dikirim Gambar 10. Diagram alir pada Coordinator. Program arduino sebagai coordinator dimulai dari menerima data awal dari masingmasing endpoint, karena sebagai data awal maka coordinator melanjutkan data dengan mengirim ke endpoint user, tetapi sebelum mengirim data tersebut coordinator menambahkan id dari data tersebut. Misalnya data yang diterima adalah , berarti data tersebut dari endpoint1 karena digit awal adalah 11 sebagai id dari endpoint1. Berikut potongan source code pada penerimaan data dari endpoint1 : if(data_masuk>0) if(data_masuk< && data_masuk> data_masuk==11) /*sedangkan pada endpoint2 yaitu: (data_masuk> && data_masuk< data_masuk==22)//masuk dari node 2 dengan kondisi data_masuk> data_masuk>=22 */ if(data_lama1==0) data_lama1=data_masuk; Serial.println(data_lama );} else if(data_masuk==11 && data_lama1!=0) Serial.println(data_cek );} Else if (data_masuk==data_lama1 data_masuk==data_cek1) Serial.println(data_lama );} else if (data_masuk!=data_lama1) data_cek1=data_masuk; data_lama1=data_cek1; Serial.println(data_cek1);} } Kemudian coordinator merubah id tersebut menjadi 111, yang berasal dari data yang diterima di tambah dengan nilai maka data yang dikirm ke router user adalah dan sebagai penandaan bahwa data ini sudah di koreksi coordinator dan dikirim ke router user. JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 14

7 coordinator merubah id supaya router user mengerti bahwa data tersebut untuk router user yaitu Proses ini tidak ada perbedaan saat menerima data dari endpoint2. Gambar 11. Contoh Data yang Sudah Di Cek oleh Coordinator. Selanjutnya apabila sudah terdapat nilai awal yang tersimpan pada variabel data_lama, maka coordinator pada proses selanjutnya yaitu menerima data lagi dari endpoint1 ataupun endpoint2. Pada saat menerima data coordinator akan memilah-milah data misalnya data yang diterima< dan data yang diterima > , maka coordinator akan memproses bahwa data ini dari endpoint1. Pada Gambar 11. terlihat bahwa coordinator mengirim data , data ini berasal dari endpoint1 dengan data saat coordinator menerimanya. Setelah selasai dalam program endpoint dan coordinator, selanjutnya tinggal perakitan seperti pada gambar 12. Gambar 13. Hasil Perakitan Setiap Node. Untuk sistem keseluruhan dapat dilihat pada Gambar Gambar 12. Proses Pengiriman Data (Kiri Adalah Endpoint dan Kanan Adalah Coordinator). Saat pertama kali menerima coordinator akan langsung mengirim ke router user karena masih belum ada nilai sebelumnya yang akan dibandingkan dan merubah id terlebih dahulu. Selanjutnya coordinator mengirimkan data yang sama pada router user karena coordinator menerima data yang sama dari endpoint1 yaitu Lalu coordinator mengirim dengan nilai ke endpoint1 karena terdapat perbedaan data dari data sebelumnya saat coordinator menerima data ke endpoint1. Dan apabila coordinator menerima data dengan nilai 11 maka coordinator akan mengirim data yang sebelumnya sudah dikirim ke endpoint1, tetapi Gambar 14. Hasil Pengiriman Dan Penerimaan Data antar Endpoint dengan Coodinator. PENGUJIAN SISTEM Hasil pengujian Pengujian keseluruhan sistem dilakukan dengan melakukan pengamatan terhadap waktu kestabilan, dan mengamati waktu tempuh terhadap set point./ a. Sensor suhu pada endpoint 1 dan endpoint 2 mampu bekerja dengan baik b. Sensor kelembaban pada endpoint 1 dan endpoint 2 mampu bekerja dengan baik c. Pengiriman data dari setiap node ke node yang dituju benar dan 95% proses JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 15

8 validasi data berjalan dengan baik, seperti pada Tabel 4. dan Gambar 13. d. Jarak jangkau xbee mampu bekerja dengan baik Tabel 1. Hasil Pengamatan Sensor Suhu dengan Thermometer. No Sensor Node 1 Sensor Node 2 alat Ukur Selisih Sensor dengan Alat Ukur Node 1 Node error% 3.87% 0.43% Tabel 2. Hasil Pengamatan Sensor Kelembaban dengan Moisture Meter. No Sensor Node 1 Sensor Node 2 Alat Ukur Selisih Sensor dengan Alat Ukur Node 1 Node error% 4% 5.14% Tabel 4. Hasil Proses Pengolahan dari Keseluruhan WSN. Tabel 3. Hasil Pengamatan Komunikasi Data pada Xbee Dalam Kondisi Di Luar Ruangan (Outdoor Area). No. Jarak (meter) Keterangan 1 10 Ok 2 20 Ok 3 30 Ok JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 16

9 4 40 Ok 5 50 Ok 6 60 Ok 7 70 Ok 8 80 Ok 9 90 Ok Ok Gagal Gagal Gagal Gagal Gagal KESIMPULAN & SARAN Kesimpulan 1. Berdasarkan hasil pengujian terhadap pembacaan sensor yang telah dilakukan dalam pembuatan alat monitoring lahan tanaman jarak berbasis WSN dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: a. Rata-rata persentase error sensor suhu pada node1 adalah 0.43% dan pada node2 adalah 3.87%. b. Rata-rata persentase error sensor kelembaban pada node1 adalah 4% dan pada node2 adalah 5.14%. 2. Berdasarkan pengujian terhadap protokol komunikasi WSN, pengiriman dan penerimaan data pada protokol komunikasi sesuai dengan alamat node yang dituju. 3. Berdasarkan pengujian terhadap sistem dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: a. Sistem mampu menunjukkan validasi data jika terdapat perubahan data dari data sebelumnya. b. Sistem mampu menunjukkan pemberitahuan terhadap kondisi sensor yang tidak benar ataupun koneksi terputus dengan output Berdasarkan hasil pengujian terhadap jarak jangkau pengiriman data xbee series 2 dapat ditarik kesimpulan, bahwa jarak maksimal pengiriman data adalah 100meter. 2. Menambah jumlah sensor dari setiap node, sehingga mendapatkan hasil yang akurat. DAFTAR PUSTAKA Faludi, R. (2010). Building Wireless Sensor Networks. In R. Faludi, Building Wireless Sensor Networks. United States of America: O Reilly Media, Inc. Prima Diarini Riajaya dan Fitriningdyah Tri Kadarwati. (2007). Keragaan Produksi Biji Jarak Pagar pada Berbagai Ketersediaan Air Tanah, hlm 141. Saran Sebagai pengembangan dari penelitian yang telah dilakukan, penulis memberikan saran sebagai berikut: 1. Perancangan ini merupakan sebuah prototype, sehingga diharapkan dapat diimplementasikan pada kondisi yang real yaitu diterapkan langsung pada lahan tanaman jarak yang sesungguhnya. JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 17