WIRELESS SENSOR NETWORK

Transkripsi

1 WIRELESS SENSOR NETWORK Pengenalan WSN (Wireless Sensor Network) WSN (Wireless Sensor Network) merupakan teknologi nirkabel yang terdiri dari kumpulan sensor yang tersebar di suatu area tertentu. Tiap sensor memiliki kemampuan untuk mengumpulkan data dan dapat berkomunikasi dengan sensor lainya. Dengan adanya WSN dapat dibuat sistem untuk melakukan pengukuran suhu, kelembaban, tekanan, kecepatan aliran, ketinggian cairan dan sebagainya. Pengukuran dilakukan oleh sensor, kemudian sensor mengirimkan informasi ke base-station untuk diolah kembali. Potensi WSN dalam bidang pertanian contohnya adalah curah hujan. Pertanian yang besar dapat mencakup beberapa mil persegi, dan pada lahan seluas tersebut mungkin menerima hujan secara sporadis dan hanya beberapa lahan saja yang menerima air hujan. Proses irigasi sangatlah mahal, sehingga sangat penting untuk mengetahui bidang yang telah menerima hujan. Sehingga proses irigasi secara sporadis dapat dilakukan dan bidang yang belum terkena hujan harus diirigasi sedangkan yang sudah terkena hujan tidak perlu dilakukan proses irigrasi. Aplikasi ini sangat ideal untuk jaringan sensor nirkabel. Jumlah data yang dikirim melalui jaringan bisa sangat rendah (serendah 1 bit yaitu iya atau tidak atau 1 atau 0 ) sebagai tanggapan permintaan apakah hujan atau tidak. Sebuah WSN dapat terdiri dari 2 buah node, yaitu node client dan node server. Setiap node mampu mengirimkan data ke node lainnya secara single-hop atau sekali pengiriman. Sistem menggunakan transmisi data unicast dan menggunakan 2 buah node untuk saling mengirimkan data. Selain itu node server dan node client terhubung dengan PC dan keduanya berfungsi sebagai sensing device atau node sensor. Pada penelitian yang lain digunakan empat node, yang saling terhubung dengan koneksi multi-hop nirkabel. Masing-masing node dapat melakukan pengukuran suhu dengan data yang dapat dikirimkan ke PC yang terhubung dengan node master. Data pengukuran yang didapat dari node master dapat langsung ditampilkan pada PC. Sementara data pengukuran suhu yang didapat dari node slave, harus dikirimkan ke node master untuk kemudian ditampilkan di PC. Dalam hal ini, pengiriman dilakukan satu kali (single hop) pada node slave1, dan dilakukan dua kali (multi-hop) pada node slave2 dan node slave3. Untuk menggunakan teknologi nirkabel ini, harus dilengkapi beberapa perangkat keras agar adanya pentransferan dan penerimaan data. Perangkat keras yang digunakan antara lain : Xbee

2 Pengenalan Xbee Pada dasarnya Xbee terdiri dari dua jenis : 1. Xbee Series 1 Radio ini menggunakan mikrochip sederhana yang dibuat oleh Freescale, berbasis standar dan komunikasi point to point yang berbentuk jaringan mesh. Xbee series 1 sangat populer digunakan dalam pasaran. Seri 1 sangat bagus sebagai pengganti perkabelan sederhana dan sistem berukuran kecil. 2. Xbee Series 2 Xbee series 2 menggunakan mikrochip dari dasar jaringan adanya perbedaan pada jaringan Zigbee mesh. Jaringan mesh merupakan inti dalam menciptakan jaringan sensor yang kuat, sistem ini dapat menciptakan banyak set data atau interaksi rumit skala manusia. Xbee series 2 mendukung penuh Protokol Zigbee. Seri 2 dirancang dengan menggunakan daya yang sedikit. Perbedaan dan Persamaan Xbee Series 1 dan Xbee Series 2. Xbee series 1 Xbee series 2 Tipikal / kisaran Indoor 30 meter 40 meter Kisaran Outdoor 100 meter 120 meter Menerima / mengirim data 45 / 50 ma 40 / 40 ma Firmware point to ZB Zigbee Mesh point Digital input/output pin 8 (plus 1 input-only) 11 Analog input Pin 7 4 Analog (PWM) output Pin 2 None Daya Rendah,biaya Ya Ya terjangkau,beralamat,standar, populer, kecil. Dapat dioperasikan mesh Tidak Ya routing, membuat ad hoc jaringan, memperbaiki jaringan sendiri Point-to-point, topologi Star Ya Ya Mesh, Rangkaian topologi Tidak Ya

3 Tree Single firmware untuk semua mode Ya Tidak Membutuhkan simpul Tidak Ya coordinator Konfigurasi point-to-point Sederhana Lebih Rumit Standar- Jaringan dasar Ya Ya Standar- Aplikasi dasar Tidak Ya Chipset yang mendasari Freescale Dasar Ketersediaan Firmware (IEEE ZB (ZigBee 2007), standard), DigiMesh ZNet 2.5 (obsolete) (proprietary) Terbaru dan dukungan Ya Ya keaktifan Baik seri 1 maupun seri 2 memiliki kecepatan transmisi data yang berbeda tergantung dari xbee yang digunakan yaitu Versi biasa dan Versi Pro. Versi biasa hanya disebut sebagai Xbee dan lebih murah, sedangkan Versi Pro memiliki power yang lebih dan dari harga lebih mahal. Namun kedua Versi ini memiliki konfigurasi yang sama. Radio Versi Biasa dan Versi Pro

4 Antena Radio Xbee membutuhkan antena untuk menerima dan mengirim sinyal. Ada berbagai macam antena, masing-masing dengan kekurangan dan kelebihan masing-masing. a. Whip atau antena kabel. Antenna kabel merupakan sebuah kabel yang melekat di atas xbee radio. Pada umumnya antenna kabel ini hanya digunakan sesuai keperluan. antenna kabel ini sederhana dan memiliki omnidirectional,artinya jarak maksimum disemua arah hampir sama ketika kawat diluruskan. b. Chip Antena Chip antena merupakan keramik datar yang menyatu dengan xbee, yang membuatnya lebih kecil dan lebih kuat. Namun dari segi harga, chip antena lebih mahal. Chip antenna ini memiliki kardiodid pola radiasi, yang berarti bahwa sinyal dilemahkan dalam banyak arah. Chip antenna baik digunakan dalam ruangan kecil. c. Konektor U.FL Konektor U.FL lebih kecil dari dua jenis konektor antena eksternal, dan hampir selalu menggunakan kabel pendek sebagai penghubung yang membawa sinyal dari jarak jauh. d. PCB Antena Diperkenalkan oleh S2B Xbee Pro, antena Xbee dicetak langsung pada papan sirkuit dari Xbee. PCB antenna memiliki banyak keuntungan namun juga memiliki kekurangan, keuntungan memiliki biaya yang lebih rendah dalam pembuatannya. e. Konektor RPSMA Konektor RPSMA merupakan socket jenis lain dari konektor U.FL. Konektor RPSMA lebih besar dan lebih tebal, dan dapat menggunakan antena eksternal yang dipasang langsung ke xbee tanpa kabel penghubung. Untuk pemula dapat menggunakan antena yang kecil, sederhana dan murah.

5 Xbee Adapter Untuk mengkonfigurasikan sebuah Xbee dan untuk mengirim dan menerima data kita membutuhkan sebuah komputer. Xbee dicetak langsung pada papan sirkuit sehingga membutuhkan sebuah adapter untuk menghubungkan port USB ke laptop atau komputer. Jenis-jenis USB Adapter : a. SparkFun XBee Explorer SparkFun Xbee Explorer sangat terkenal didunia pasaran yang menggunakan USB standar A ke mini kabel B untuk dihubungkan dengan komputer. b. Adafruit XBee Adapter Kit Adafruit Xbee Adapter Kit merupakan sebuah papan dengan harga yang terjangkau dimana untuk menggunakannya harus disolder terlebih dahulu, dan membutuhkan kabel USB khusus yang disebut FTDI USB TTL-232, yang mana dapat melampirkan Pin Headernya. Kabel ini juga dapat digunakan pada papan Arduino jenis tertentu. c. New Micros XBee Dongle Salah satu adapter terkecil yang membutuhkan tambahan kabel eksternal. Karena tidak memiliki kabel, bentuk adapter ini sering mengganggung kabel lain. Adapter ini tidak memberikan akses ke USB radio xbee. Disisi lain adapter ini sangat kecil yang mana semuanya dalam satu perangkat yang dapat dibawa di dalam saku yang memudahkan penggunaannya dimana saja. d. Gravitech XBee to USB Adapter Adapter ini sama dengan Explorer yang mana memiliki USB standar A ke mini USB B. Adapter ini memiliki standar PinOut pada Breadboard.

6 Papan Breakout Semua jenis Xbee baik itu xbee series 1, series 2, ataupun xbee series Pro memiliki 20 pin koneksi dan jarak antara Pin 2mm. Jarak antar Pin pada Xbee Jarak yang sempit seperti terlihat pada gambar 3.3 membantu menjaga radio sangat kecil, tetapi tidak memungkinkan untuk pin-pin tersebut masuk kedalam breadboard. Untuk memasukan pin xbee kedalam breadboard dapat menggunakan papan breakout dengan jarak pin 0.1. Jarak antar Pin pada papan Breakout Beberapa perangkat yang dapat terpasang pada Xbee lain : a. Adapter : merupakan salah satu perangkat yang biasa digunakan untuk menghubungkan Port USB pada komputer, beberapa adapter juga menyediakan fungsionalitas pada papan breakout. b. Papan Breakout : biasa digunakan untuk memasukan pin Xbee kedalam breadboard standard dan memfasilitasi koneksi kabel ke komponen lainnya termasuk koneksi ke Arduino. c. Shield : Shield dirancang untuk langsung diletakan atau direkatkan diatas arduino, apabila tidak menggunakan komponen lain, maka shield tidak memerlukan breadboard dan kabel.

7 Deskripsi Pin Xbee Pin Nama Deskripsi 1 Vcc 3.3V Power Supply 2 DOUT Data Out(Tx) 3 DIN Data In (Rx) 4 DIO12 Data I/O 12 5 RESET Modul Reset(memaksakan rendah dengan membawa Pin ke ground) 6 PWM0/RSSI/DIO10 Pulse-width modulation analog output 0, Received Signal Strength Indicator, Digital I/O 10 7 DIO11 Digital I/O 11 8 Reserved Tidak dapat koneksi 9 DTR/SLEEP_RQ/ DIO8 Data Terminal Ready (hardware handshaking signal), Pin Sleep Control (asserted low), Digital I/O 8 10 GND Ground 11 DIO4 Digital I/O 4 12 CTS/DIO7 Clear to Send (hardware handshaking), Digital I/O 7 13 ON/SLEEP Sleep indicator (off ketika model sleep) 14 VREF Tidak digunakan pada Xbee series 2 15 ASSOC/DIO5 Association indicator: blinks if module is associated with a network, steady if not; Digital I/O 5 16 RTS/DIO6 Request to Send (hardware handshaking), Digital I/O 6 17 AD3/DIO3 Analog Input 3, Digital I/O 3 18 AD2/DIO2 Analog Input 2, Digital I/O 2 19 AD1/DIO1 Analog Input 1, Digital I/O 1 20 AD0/DIO0/COMMIS Analog Input 0, Digital I/O 0, Commissioning Button

8 Penomoran Pin pada Xbee Protokol Zigbee Banyak orang berpikir Zigbee dan Xbee merupakan dua hal yang sama. Zigbee merupakan standar komunikasi protokol dengan daya rendah, nirkabel jaringan mesh. Sedangkan Xbee merupakan merek radio yang mendukung komunikasi protokol termasuk komunikasi Zigbee, Wifi dan sebagainya. Pengenalan Zigbee ZigBee adalah sebuah spesifikasi untuk suite protokol komunikasi tingkat tinggi, rendah daya radio digital berdasarkan IEEE standar untuk jaringan wilayah pribadi nirkabel (WPAN), seperti menghubungkan headphone nirkabel dengan telepon selular melalui radio jarak pendek. Teknologi yang didefinisikan oleh spesifikasi ZigBee ditujukan untuk menjadi lebih sederhana dan lebih murah dibandingkan WPAN yang lain, seperti Bluetooth. ZigBee ditujukan pada aplikasi frekuensi radio (RF) yang memerlukan data rate yang rendah, baterai yang tahan lama, dan aman jaringan. ZigBee Alliance adalah kelompok perusahaan yang memelihara dan mempublikasikan standar ZigBee. ZigBee Alliance, badan standar yang mendefinisikan ZigBee, juga menerbitkan profil aplikasi yang memungkinkan OEM vendor untuk menciptakan produk yang dapat dioperasikan. Aplikasi-aplikasi yang diterbitkan sampai sekarang adalah: a. Home Automation b. ZigBee Smart Energy c. Commercial Building Automation

9 d. Aplikasi Telekomunikasi ruang e. Perawatan Rumah Sakit f. Mainan Hubungan antara IEEE dan ZigBee adalah serupa dengan IEEE dengan Wi-Fi Alliance. ZigBee spesifikasi 1,0 yang disahkan pada tanggal 14 Desember 2004 dan tersedia untuk anggota ZigBee Alliance. Spesifikasi ZigBee 2007 telah diposting pada tanggal 30 Oktober ZigBee pertama seperti Aplikasi Profil, Home Automation diumumkan 2 November ZigBee beroperasi di bidang industri, ilmiah dan medis (ISM) band-band radio; 868 MHz di Eropa, 915 MHz di Amerika Serikat dan Australia, dan 2,4 GHz dalam banyak yurisdiksi di seluruh dunia.teknologi ini dimaksudkan untuk menjadi lebih sederhana dan lebih murah dibandingkan WPAN seperti Bluetooth. ZigBee chip vendor biasanya menjual radio dan Microcontroller yang terintegrasi dengan a 60k dan 128K memori flash, seperti Jennic JN5148, yang Freescale MC13213, yang Ember EM250, yang Texas Instruments CC2430, maka Samsung Electro-Mechanics ZBS240 dan Atmel ATmega128RFA1. Karena ZigBee dapat mengaktifkan (Mode Sleep ke mode aktif) dalam 15 msec atau kurang, latency bisa sangat rendah dan perangkat dapat menjadi sangat responsif - terutama dibandingkan dengan Bluetooth bangun penundaan, yang biasanya sekitar tiga detik. ZigBees bisa dalam mode Sleep karena sebagian besar waktu dan rata-rata daya konsumsi sangat rendah, sehingga baterai tahan lama. Stack pertama yang dirilis sekarang disebut ZigBee Rilis stack kedua disebut ZigBee 2006, dan menggantikan struktur MSG / KVP yang digunakan pada tahun 2004 dengan sebuah "cluster perpustakaan". ZigBee 2007, kini saat ini dirilis berisi dua versi, versi 1 (hanya disebut ZigBee), untuk rumah dan cahaya penggunaan komersial, dan versi 2 (disebut ZigBee Pro). ZigBee Pro menawarkan lebih banyak fitur, seperti multi-casting, many-to-one routing dan keamanan yang tinggi dengan Symmetric-Key Key Exchange (SKKE), sementara ZigBee versi biasa menawarkan footprint yang lebih kecil dalam RAM dan flash. Keduanya menawarkan jaringan jala penuh dan bekerja dengan semua aplikasi ZigBee. Karena adanya perbedaan dalam pilihan routing, perangkat ZigBee Pro harus menjadi non-routing ZigBee End_Device(ZED). Aplikasi yang berjalan pada perangkat tersebut bekerja sama, terlepas dari versi lama.

10 Zigbee juga merupakan satu set lapisan yang dibuat diatas Lapisan zigbee ini menambahkan 3 hal penting antara lain: 1. Routing Table Routing menentukan bagaimana satu radio dapat menyampaikan serangkaian pesan ke radio lainnya sampai pada tujuan akhirnya. 2. Ad hoc network creation Merupakan proses otomatis menciptakan jaringan radio dengan cepat, tanpa campur tangan manusia. 3. Self-Healing Mesh Proses terkait yang secara otomatis angka keluar jika salah satu atau lebih radio hilang dari jaringan dan adanya konfigurasi jaringan untuk memperbaiki yang rusak. Perangkat Zigbee memiliki perangkat koordinator tunggal. Jaringan komunikasi dapat terhubung jika ada dua hal yang terhubung. Jadi setiap jaringan Zigbee juga memiliki minimal satu perangkat, baik perangkat router ataupun End Device. a. Koordinator Jaringan Zigbee selalu memiiliki koordinator tunggal. Koordinator bertanggung jawab untuk pembentukan jaringan, membagikan alamat, dan melaksanakan fungsi lain yaitu menjelaskan jaringan, terjamin, dan menjaga tetap nyaman. Mengingat masing-masing jaringan harus dibentuk oleh sebuah koordinator maka tidak akan memerlukan banyak koordinator yang lebih dari satu dalam membuat sebuah jaringan. b. Router Router adalah Fitur lengkap node Zigbee. Router dapat terhubung dengan jaringan yang ada, mengirim data, menerima data, dan sebagai rute informasi. Routing bertindak sebagai jembatan komunikasi antara perangkat lain yang terlalu jauh untuk menyampaikan informasi. Router biasanya terhubung ke listrik karena router harus dihidupkan sepanjang waktu. Sebuah jaringan dapat memiliki lebih dari satu router. c. End Device Ada banyak situasi dimana perangkat keras dan daya diperlukan setiap waktu dari sebuah router sudah berlebihan untuk itu maka diperlukan perangkat tambahan untuk dapat melakukan itu. End Device pada dasarnya turunan dari versi Router. End Device dapat terhubung ke jaringan, mengirim dan menerima data. End Device tidak dapat bertindak sebagai pengirim antara beberapa device. End Device selalu memerlukan

11 sebuah router atau koordinator menjadi perangkat induk. Koordinator membantu End Device untuk terhubung dengan jaringan, dan menyimpan pesan ketika mode sleep. Sebuah jaringan dapat menggunakan sebuah koordinator, beberapa router dan beberapa End Device. Topologi Jaringan Zigbee dapat berkomunikasi secara bersama-sama dalam beberapa susunan berbeda atau topologi untuk memberikan struktur jaringan. Topologi jaringan menunjukan bagaimana radio xbee dapat koneksi satu sama lain. Beberapa Topologi dalam jaringan Zigbee antara lain : 1. Pair Pair merupakan salah satu jaringan sederhana dengan hanya menggunakan dua radio atau dua node. Satu node harus menjadi koordinator agar dapat membentuk suatu jaringan. Node lain dapat menjadi sebagai router atau End Device. 2. Start Jaringan ini menyiapkan kelengkapan yang sederhana. Sebuah radio koorinator sebagai pusat dari topologi jaringan start dan koneksi mengelilingi End Device. Setiap pesan dalam sistem harus lulus melalui koordinator, yang mana setiap lintasan pesan saat dibutuhkan antara perangkat. End Device tidak dapat berkomunikasi dengan yang lainnya secara langsung. 3. Mesh Dalam konfigurasi Mesh, node router dapat digunakan dalam penambahan ke koordinator. Radio ini dapat menyampaikan pesan untuk router lainnya dan End Device yang memerlukan. Koordinator ( bentuk khusus dari router) bertindak untuk mengelola jaringan. Berbagai End Device dapat terhubung ke router atau Koordinator yang dapat menghasilkan dan menerima informasi, tetapi akan membutuhkan bantuan jika ingin berkomunikasi dengan node lainnya. 4. Cluster Tree Custer Tree merupakan susunan jaringan dengan router sebagai pusat dan End Device berada disekitar router. Topologi ini tidak jauh berbeda dengan topologi mesh.