Journal of Control and Network Systems

Transkripsi

1 JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Journal of Control and Network Systems Situs Jurnal : PENERAPAN JARINGANSENSOR NIRKABEL DENGAN TOPOLOGI TREE PADA PEMANTAUAN GAS KARBON MONOKSIDA Achmad Fajar Shodiq 1) Pauladie Susanto 2) I Dewa Gede Rai Mardiana 3) Program Studi/Jurusan Sistem Komputer STMIK STIKOM Surabaya Jl. Raya Kedung Baruk 98 Surabaya, )fajars20@gmail.com, 2)pauladie@stikom.edu, 3)dewa@stikom.edu Abstract: Air pollutionis the damage of air qualitywhich contaminatedbypollutantscan bechangingthe composition ofairwhocan bedangerous to humans, animals, andplants.the rapid development ofconstruction, especiallyindustryandtechnology, andincreasingnumber of vehiclescauses air toaround usbecontaminatedbywastinggasescombustionproceeds. Carbon monixide is the most pollutant which is producted in big cities, it is caused by much of out cast gas which is producted by vehicles and proses of industry.wireless Sensor Network (WSN) can be used to monitor air pollution so can be used an early warning of air pollution at a certain point.with theknowing informationis expected toreduce thelevelof airpollution, especially carbon monoxide gas. From thenumber ofmainproblemsin aimplementation of thewsncommunication processwas one ofthe problemsoften experienced. WSN communication often only rely the protokol communication of WSN devices which are used. If there isonenodewhichexperiencingsystem failuresthat are belowa nodecan t beperformthe communicationprocess, so thesensor datafromthenodecan t betransmitto the center. To solve the problem is proposed a design research on a data communication protocol in WSN, which purposewhen there issystemfailureononenode, there is abackupdata lines of communicationso thatnodeswhichare belowcan betransmitsensor datato thecentral node. In this research design of data communication protocol attempted to tree topology so that higher level of nodes can be set the other nodes of lower level. Communication prosses has been run according with the given data communication protocol. There is a backup lines of comunication if the one nodes failure system experience. Nodes be able to send data result sensor reading of carbon monoxide and also battery condition toward node coordinator with coverage distance in each maximum node is 50m, if used tree topology coverage distance to the all system is 100m. The circuit monitoring of battery condition be able provide information about battery condition with error average Keywords: Protocol, Communication Data, Carbon Monoxide, Wireless Sensor Network (WSN), Node, Topology Tree, Sensor, Battery Pencemaran udara adalah rusaknya kualitas udara yang tercemar oleh zat-zat polutan sehingga mengubah susunan udara yang bisa membahayakan manusia, hewan, dan tumbuhan. Kondisi udara yang buruk mempunyai dampak yang signifikan terhadap kesehatan. Udara yang telah tercemar oleh partikel dapat menimbulkan berbagai penyakit saluran pernapasan atau pneumokoniosis yang merupakan penyakit saluran pernapasan yang disebabkan oleh adanya partikel yang masuk atau mengendap di dalam paru-paru. (Wardhana, Arya, 1999). Semakin berkembang pesatnya pembangunan khususnya industri dan teknologi, serta meningkatnya jumlah kendaraan bermotor menyebabkan udara disekitar kita menjadi tercemar oleh gas-gas buang hasil pembakaran. Karbon monoksida adalah polutan yang paling banyak dihasilkan pada kota-kota besar, hal ini JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 42

2 disebabkan karena banyaknya gas buang yang dihasilkan oleh kendaraan bermotor dan proses industri. Wireless Sensor Network (WSN) dapat digunakan untuk memantau pencemaran udara sehingga dapat dijadikan informasi peringatan dini adanya pencemaran udara pada titik tertentu. WSN dapat melakukan pemantuan lingkungan terbuka secara langsung dengan memanfaatkan beberapa macam sensor. (Mittal, 2010). Dari sejumlah masalah utama dalam implementasi WSN antara lain: proses komunikasi dan konsumsi energi. Sering kali komunikasi pada WSN hanya mengandalkan protokol komunikasi dari device WSN yang digunakan. Apabila terdapat salah satu node yang mengalamai kegagalan sistem maka node yang berada dibawahnya tidak bisa melakukan proses komunikasi, sehingga data sensor yang berasal dari node tersebut tidak bisa tersampaikan ke pusat. Untuk mengatasi masalah tersebut diusulkan sebuah penelitian mengenai sebuah perancangan protokol komunikasi data pada penerapan WSN, yang bertujuan apabila terdapat kegagalan sistem pada salah satu node terdapat jalur backup komunikasi data sehingga node yang berada dibawahnya masih bisa mengirimkan data sensor menuju node pusat. Perancangan protokol komunikasi data diusahakan mengarah pada topologi tree sehingga proses komunikasi data bisa sesuai dengan penerapan topologi tree. Pemilihantopologi treediharapkan mampu mengatasi permasalahan komunikasi yang terbatas pada jarak akses yang dimiliki oleh device, sehingga node yang jarak aksesnya lebih jauh masih bisa terjangkau. Dalam topologi treeterdapat beberapa tingkatan simpul atau node. Node yang lebih tinggi tingkatannya dapat mengatur node lain yang lebih rendah tingkatannya. Selain itu data yang akan dikirim perlu melalui node yang berada diatasnya Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut. 1. Power supply digunakan untuk memberi daya pada masing-masing device. 2. Gas karbon monoksida digunakan sebagai bahan penelitian yang akan dipantau oleh sensor. 3. Bagian elektronikpada setiap node terdapat modul-modul elektronika diantaranya modul sensor gas karbon monoksida, modul komunikasi wireless Xbee-Pro, serta modul rangkaian pemantau catu daya yang terdapat padanode3. 4. Peralatan pendukung yang diperlukan adalah multimeter, kabel serial RS232, tang potong, solder, timah, penyedot timah, dan beberapa mur-baut sesuai keperluan. 5. Personal computerdigunakan untuk merancang dan membuat program pada masing-masing node. Jalan Penelitian Penelitian ini dikerjakan dalam beberapa langkah sistematis seperti ditunjukkan pada Gambar 3.2 berikut. Gambar 3.2.Blok Diagram Langkah-langkah Penelitian Penelitian ini dimulai dengan mengumpulkan literatur pendukung dalam merancang dan membuat perangkat keras atau perangkat lunak. Selanjutnya adalah mempersiapkan, merancang dan mengkonfiguraasi perangkat keras. Langkah selanjutnya adalah merancang dan membuat perangkat lunak yang akan digunakan untuk menjalankan modul pendukung dalam penelitian. Langkah berikutnya adalah melakukan pengujian pada tiap modul pendukung serta pengujian sistem secara keseluruhan. Langkah terakhir adalah pembuatan laporan. Studi Literatur Studi literatur dalam penelitian ini meliputi studi kepustakaan dan penelitian laboratorium.dengan cara ini penulis berusaha untuk mendapatkan dan mengumpulkan datadata, informasi, konsep-konsep yang bersifat teoritis dari buku bahan-bahan kuliah dan referensi dari internet yang berkaitan dengan permasalahan. Antara lain Wireless Sensor Network (WSN), komunikasi serial asynchronous (UART), komunikasi serial synchronous (I2C), modul komunikasi wireless Xbee-Pro, mikrokontroler AVR, dan sensor gas karbon monoksida (MQ-7). JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 43

3 Perancangan Perangkat Keras Langkah-langkah yang dilakukan dalam perancangan perangkat keras ditunjukkan pada gambar 3.3 berikut. Gambar 3.14.Bentuk Paket DataNode 1 Gambar 3.15.Bentuk Paket DataNode 2 Gambar 3.3.Blok Diagram Langkah-langkah Perancangan Perangkat Keras Perancangan perangkat keras dimulai dengan membuat rangkaian pemantau catu daya pada node 3. Langkah selanjutnya adalah konfigurasi modul yaitu menghubungkan beberapa modul antara lain, rangkaian pemantau catu daya, modul sensor gas MQ7 dan modul wireless Xbee-Pro dengan modul minimum sistem. Perancangan Perangkat Lunak Langkah-langkah yang dilakukan dalam perancangan perangkat lunak ditunjukkan pada gambar 3.9 berikut. Protokol Data Program Modul WSN Gambar 3.5.Blok Diagram Langkah-langkah Perancangan Perangkat Lunak Perancangan perangkat lunak dimulai dengan membuat protokol data yang berfungsi untuk membedakan data dari setiap node, kemudian membuat program modul WSNyang berisi program pembacaan sensor gas karbon monoksida sertaprogram komunikasi data agar sistem dapat berjalan sesuai dengan protokol komunikasi data. Protokol Data Satu paket data yang dikirimkan oleh setiap node menuju station pusat atau node coordinator yang berisi data sensor MQ7 atau data pemantau catu daya yang sebelumnya sudah ditambahkan header dan trailler. Gambar dibawah ini menunjukkan bentuk paket data pada masing-masing node sebelum digabung dengan paket data yang berasal dari node lain. Pada node 3 terdapat data pemantau catu daya dan data sensor MQ7 maka dalam paket data ditambahkan karakter-karakter pemisah. Gambar 3.16 menunjukkan bentuk paket data pada node 3. Gambar 3.16.Bentuk Paket DataNode 3 Pada saat node 2 atau node 3 menerima data sensor yang berasal dari node 1 data tersebut akan dibentuk menjadi satu paket data sebelum data tersebut dikirim. Gambar 3.17 dan gambar 3.18 menunjukkan bentuk paket data pada node 2 dan node 3 setelah digabung dengan data sensor node 1. Gambar 3.17.Pembentukan Paket Data Node 2Dan Node 1 Gambar 3.18.Pembentukan Paket Data Node 3Dan Node 1 Header dan tralier yang digunakan untuk paket data pada setiap node tidak sama, hal ini bertujuan untuk membedakan data yang dikirimkan oleh masing-masingnode. Tabel 3.7 menunjukkan header dan trailler yang digunakan untuk paket data. Tabel 3.7. Penggunaan Header Dan Trailler Pada Masing-MasingNode Header Trailler Fungsi Z X Paket data sensor MQ7 node 1 (apabila node 2 dalam keadaan hidup) JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 44

4 K Q H E W R Paket data sensor MQ7 node 1 (apabila node 2 dalam keadaan mati) Paket data sensor MQ7 node 2 Paket data sensor MQ7 node 3 terdapat data ack mikrokontroler akan mengirimkan paket data menuju node yang memberikan data ack. Gambar 3.19 menunjukkan digram alir program mikrokontoler node 1. Diagram alir ini mewakili sistem kerja peralatan node 1 secara global. START Sebelum pengiriman paket data antar node, bagian pengiriman data akan menunggu request data atau ACK dari node yang ada diatasnya, serta saat aktifasi setiap node akan mengirimkan sebuah karakter ASCII ke node lain yang terhubung yang bertujuan sebagai penanda bahwa node tersebut dalam kondisi aktif dan siap berkomunikasi. Untuk mengetahui hal tersebut dikirimkan beberapa karakter ASCII seperti yang ditunjukkan pada tabel 3.8. Tabel 3.8.Penggunaan Karakter ASCII Karakter Fungsi ASCII Requset data atau ack dari node! coordinator menuju node 2 Requset data atau ack dari coordinator menuju node 3 Requset data atau ack dari node # 2menuju node 1 Requset data atau ack dari node $ 3menuju node 1 % Kode aktifasi dari node 3 ^ Kode aktifasi dari node 2 & Kode aktifasi dari node 1 Program Modul WSN Program mikrokontroler dibuat agar peralatan bisa berjalan sesuai dengan sistem yang diinginkan. Langkah ini dimulai dengan membuat diagram alir yang mewakili sistem kerja peralatan secara global. Pada penelitian iniprogram mikrokontroler dibagi menjadi 4(empat) bagian yang terdapat pada masingmasing node. A. Program Mikrokontoler Node 1 Pada program mikrokontroler node 1 hal pertama yang dilakukan adalah mengambil data sensor gas karbon monoksida kemudian dilakukan pembentukan paket data. Setelah data terbentuk node 1 akan mengunggu data ack yang berasal dari node 2 atau node 3. Jika Inisialisasi Data Sensor MQ7 Pengambilan Data Sensor Pembentukan Paket Data Terima Data Y Data ACK Y Kirim Paket Data Gambar 3.19.Diagram Alir Program Mikrokontroler Node 1 B. Program Mikrokontoler Node 2 Pada program mikrokontroler node 2 hal pertama yang dilakukan adalah mengambil data sensor gas MQ7 kemudian dilakukan pembentukan paket data. Setelah data terbentuk node 2 akan mengunggu data ack yang berasal dari node coordinator. Jika terdapat data input ack mikrokontroler juga akan mengirimkan data ack ke node 1, apabila menerima paket data dari node 1 mikrokontroler akan mengirimkan paket data node 2 dan paket data dari node 1 menuju node coordinator secara bergantian. Apabila node 1 terdeteksi dalam keadaan tidak aktif, maka node 2 hanya mengirimkan paket datanya sendiri menuju node coordinator. Gambar 3.23 menunjukkan digram alir program mikrokontoler node 2. Diagram alir ini mewakili sistem kerja peralatan node 2 secara global. T T JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 45

5 Gambar 3.23.Diagram Alir Program Mikrokontroler Node 2 C. Program Mikrokontoler Node 3 Pada program mikrokontroler node 3 hal pertama yang dilakukan adalah mengambil data sensor gas MQ7 dan data pemantau catu daya kemudian dilakukan pembentukan paket data. Setelah paket data terbentuk node 3 akan menunggu data ack yang berasal dari node coordinator. Jika terdapat data ack mikrokontroler juga akan mengirimkan data ack ke node 1apabila node 2 dalam keadaan tidak aktif, jika menerima paket data dari node 1 mikrokontroler akan melakukan penggabungan paket data node 3 dan paket data dari node 1 kemudian dikirim menuju node coordinator. Apabila node 1 terdeteksi dalam keadaan tidak aktif,node 3 hanya mengirimkan paket datanya sendiri ke node coordinator. Gambar 3.28 menunjukkan diagram alir program mikrokontoler node 2. Diagram alir ini mewakili sistem kerja peralatan node 3 secara global. Gambar 3.28.Diagram Alir Program Mikrokontroler Node 3 D. Program Mikrokontoler Node Coordinator Pada program mikrokontroler nodecoordinator hal pertama yang dilakukan adalah mengirimkan request data atau ack ke node yang ada dibawahnya yaitu node 2 dan node 3. Setelah mengirimkan data ack mikrokontroler node coordinator akan menunggu data input yang masuk melalui Xbee- Pro Rx, apabila tidak ada data input maka mikrokontroler akan mengirimkan kembali request data atau ack ke node 2 dan node 3. Jika terdapat data input dari Xbee-Pro Rx, mikrokontroler akan menyeleksi paket data tersebut kemudian dibentuk kembali paket data berdasarkan header dan trailler yang berasal dari masing-masing node yang selanjutnya akan dikirimkan mennuju personal computer. Gambar 3.33 menunjukkan diagram alir program mikrokontoler node coordinator. Diagram alir ini mewakili sistem kerja peralatan node coordinator secara global. JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 46

6 Respon Value Respon Value yang sudah ditambahi header dan trailler. Data tersebut dikirimkan oleh mikrokontroler secara berulang setiap 0,5 detik sesuai dengan perintah dari program yang diberikan. Modul Sensor Gas Karbon Monoksida Hasil pengujian sensor gas karbon monoksida ditunjukkan pada tabel 4.4. Tabel 4.4.Hasil Pengujian Sensor Gas Karbon Monoksida Tiap Node Node Pengambilan Data Sensor Gas ke- Karbon Monoksida 1 Berhasil 2 Berhasil 3 Berhasil Gambar 3.33.Diagram Alir Program Mikrokontroler Node Coordinator HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian Minimum Sistem Hasil pengujian pengiriman data dari minimum sistem Melalui Xbee-Pro pada masing-masing node ditunjukkan pada tabel 4.1. Tabel 4.1. Hasil Pengiriman Data dari Minimum Sistem ke Komputer Melalui Xbee-Pro pada Masing-Masing Node Pengiriman Data Minimum Sistem ke Komputer Melalui Xbee-Pro 1 Berhasil 2 Berhasil Node Ke- 3 Berhasil Coordinator Berhasil Time (s) Time (s) Gambar 4.7. Grafik Perubahan Nilai Sensor Sebelum Mendapatkan Gas Buang Motor Time (s) Gambar 4.8. Grafik Perubahan Nilai Sensor Setelah Mendapatkan Gas Buang Motor Gambar 4.1. Tampilan Penerimaan Data pada Terminal CV AVR Data yang dikirim minimum sistem melalui Xbee-Pro merupakan data random 0-99 Sensor MQ7 telah berhasil mendeteksi gas karbon monoksida seperti yang ditunjukkan pada indikator keberhasilan tabel 3.6. Pada gambar 4.7 nilai respon sensor terhadap kandungan gas karbon monoksida tidak mengalami perbedaan nilai yang terlalu besar, hal ini dikarenakan sensor belum mendapatkan gas buang dari kendaraan bermotor. Sedangkan pada gambar 4.8 nilai respon sensor terhadap kandungan gas karbon monoksida mengalami kenaikan yang signifikan setelah mendapatkan JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 47

7 gas buang motor meskipun letak sensor masih dijaukan dari gas buang motor. Saat sensor semakin didekatkan dengan gas buang motor nilai respon sensor terhadap kandungan gas karbon monoksida mengalami kenaikan yang signifikan, dan kemudian mengalami penurunan saat dijaukan kembali dari gas buang motor Program Mikrokontroler Tiap Node Hasil pengujian program mikrokontoler tiap node ditunjukkan pada tabel 4.5 berikut. Tabel 4.5.Hasil Pengujian Program Mikrokontroler Tiap Node Gambar 4.9.Hasil Pengujian Program Mikrokontroler Node 1 Gambar Hasil Pengujian Program Mikrokontroler Node 3 Pengiriman data dari modul node menuju komputer telah dapat dilakukan tanpa mengalami kegagalan.data yang dikirim masing-masing node merupakan data nilai yang dihasilkan sensor gas karbon monoksida yang sudah ditambahi header dan trailer. Nilai yang dihasilkan oleh rangkaian pemantau catu daya yang dikirim oleh node 3 dapat diterima oleh personal computer dengan rata-rata error sebesar 0,03%. Dari pengujian yang dilakukakan program aplikasi pendukung pada tiap node dapat berjalan dengan baik. Modul minimum sistem telah dapat bekerja dengan modul wireless Xbee-Pro, modul sensor gas karbon monoksida dan rangkaian pemantau catu daya. Data yang dihasilkan sensor gas karbon monoksida dapat di tampilkan pada LCD dan dikirimkan ke personal computer melalui wireless Xbee-Pro seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.9, gambar 4.10 dan gambar PengujianJarak Akses Xbee-Pro Hasil pengujian jarak akses XBee- Proditunjukkan pada tabel 4.6dan 4.7 berikut. Tabel 4.6. Hasil Pengujian Jarak akses XBee- Pro Antar Node Gambar 4.10.Hasil Pengujian Program Mikrokontroler Node 2 Tabel 4.7. Hasil Pengujian Jarak Akses Maksimal XBee-Pro JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 48

8 Jarak akses antar node dalam penelitian ini adalah 50m dengan kondisi LOS. Total jarak akses maksimal node yang dapat dijangkau dalam keseluruhan node adalah 100m dengan kondisi LOS seperti yang ditunjukkan pada tabel 4.6 dan tabel 4.7. Pengujian Keseluruhan Sistem Hasil pengujian keseluruhan sistem dapat dilihat pada tabel 4.8 berikut. Tabel 4.8. Proses Aliran Data Keseluruhan Sistem Data yang dihasilkan oleh sensor gas karbon monoksida yang dikirim oleh masingmasing node menuju node coordinator dapat berjalan sesuai dengan protokol komunikasi dan topologi yang diberikan. Saat kondisi semua node dalam keadaan aktif nilai respon sensor MQ-7 terhadap kandungan gas karbon monoksida yang dihasilkan oleh node 1 akan dikirim menuju node 2, kemudian node 2 akan mengirimkan data tersebut menuju node coordinator. Apabila node 2 dalam keadaan tidak aktif terhadap backup jalur komunikasi data, data yang berasal dari node 1 akan dikirim menuju node coordinator melalui node 3 seperti yang ditunjukkan pada tabel Dari pengujian yang dilakukan pada sub bab menjelaskan bahwa pengujian keseluruhan sistem dapat berjalan dengan baik seperti yang ditunjukkan pada indikator keberhasilan tabel 3.8. Data sensor gas karbon monoksida yang dikirimkan oleh masingmasing node sesuai dengan protokol komunikasi yang telah diberikan. KESIMPULAN Kesimpulan dari penelitian ini adalah sebagai berikut. 1. Komunikasi nirkabel dengan topologi tree telah berjalan sesuai dengan protokol komunikasi yang dibuat. Hal ini ditunjukkan dengan adanya backup jalur komunikasi data apabila salah satu node mengalami kegagalan sistem. 2. Jarak maksimal yang dapat dijangkau untuk pengiriman data pada masing-masing node adalah 50m. Dengan menerapkan topologi tree, jarak maksimal yang dapat dijangkau oleh keseluruhan sistem adalah 100m. 3. Program mikrokontroler untuk membaca nilai yang dihasilkan oleh sensor gas karbon monoksida berhasil diaplikasikan. Hal ini ditunjukkan dengan adanya perubahan nilai yang ditampilkan pada LCD. 4. Program mikrokontroler untuk rangkaian pemantau catu daya telah berhasil diaplikasikan. Hal ini ditunjukkan dengan indikator LED yang bekerja sesuai dengan kondisi tegangan power supply yang diberikan, serta mampu mengirim informasi tersebut menuju personal computer dengan rata-rata error sebesar 0,03. DAFTAR PUSTAKA Mittal, R., Bathia, M.P.S Wireless Sensor Networks for Monitoring the Environmental Activities. IEEE Journals. Hill, R. Szewczyk, A. Woo, S. Hollar, D. Culler, and K. Pister System Architecture Directions for Networked Sensors. ASPLOS. Jason L. H System Architecture for Wireless Sensor Networks. Dissertation. University of California Berkeley. United State of America. ATMEL Corporation. 2005, ATmega8, (Online). ( diakses 15 Maret 2013 ). Digi International XBee /XBee-PRO RF Modules. Minnesota, USA. Hanwei Electronics. MQ-7 Semiconductor Sensor for Carbon Monoxide. Zhengzhou, China. Ismail, M., Sanavullah, M. Y Security Topology In Wireless Sensor Networks With Routing Optimisation. IEEE Journals. JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 49

9 Wardhana, Wisnu Arya Dampak Pencemaran Lingkungan. Yogyakarta: Andi Yogyakarta. Sugiarti Gas Pencemar Udara Dan Pengaruhnya Bagi Kesehatan Manusia. Chemica Jurnal. Kurniawan, Agus Mengenal Wireless Sensor Network. Jakarta: PCMedia. Musbikhin, 2011, Komunikasi Serial pada 8051, (online). i-serial-pada-8051, diakses 15 Maret Andrianto, Heri PemrogramanMikrokontroler AVR ATmega16 menggunakan Bahasa C CodeVision AVR. Bandung : Informatika. Santosa, Insap Komunikasi Data. Yogyakarta: Andi Yogyakarta. Susilo, Deddy Jam Kupas Tuntas Mikrokontroler MCS51&AVR. Yogyakarta: Andi yogyakarta. Tanutama, Lucas Komunikasi Data. Jakarta: Elex Media Computindo. E, I. M., Sugiarto, B., & Sakti, I Rancang Bangun Sistem Monitoring Kualitas Udara Menggunakan Teknologi Wireless Sensor Network (WSN). Jakarta: INKOM. JCONES Vol. 3, No. 2 (2014) Hal: 50