Analisis Pemakaian Energi Pada Sensor Node Dengan Protokol Komunikasi Zigbee Menggunakan Solar Cell

Transkripsi

1 Jurnal Pengembangan Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer e-issn: X Vol. 2, No. 9, September 2018, hlm Analisis Pemakaian Energi Pada Sensor Node Dengan Protokol Komunikasi Zigbee Menggunakan Solar Cell Nur Cahyo Utomo 1, Rakhmadhany Primananda 2, Reza Andria Siregar 3 Program Studi Teknik Informatika, 1 utomoc49@gmail.com, 2 rakhmadhany@ub.ac.id, 3 reza.jalin@ub.ac.id Abstrak Protokol komunikasi pada standarisasi OSI Layer, dibagi menjadi beberapa lapisan diantaranya adalah data link layer. Pada layer ini dibagi menjadi sub layer, yang salah satunya adalah MAC (Medium Acces Control) yang digunakan untuk mentransmisikan sinyal yang dimiliki oleh node-node yang terhubung ke jaringan tanpa terjadi konflik. Zigbee adalah salah satu standarisasi protokol komunikasi pada sub layer MAC yang dikenal reliable dan low power. Dengan zigbee yang rendah daya ini maka peneliti mempunyai gagasan menganalisis tingkat pemakaian daya saat protokol ini berkomunikasi. Sistem komunikasi antar node diuji menggunakan xbee s-1 dengan arduino uno sebagai mikrokontroler, dan dikarenakan xbee s-1 rendah daya peneliti memberikan solar cell sebagai sumber daya. Solar cell digunakan karena memiliki kemampuan self charging. Pengujian sistem meliputi, perubahan kondisi lingkungan saat node-node berkomunikasi. Tahap terakhir pada penelitian ini adalah menganalisis data hasil dari pengujian untuk disimpulkan hasil dari penelitian. Hasil penelitian ini adalah pemakaian protokol komunikasi zigbee menggunakan sumber daya solar cell dapat digunakan pada daerah yang suhu udaranya stabil dan terdapat sumber panas. Tenaga panas tersebut dapat memberikan daya mikrokontroler arduino dan modul xbee s-1 yang akan digunakan dalam berkomunikasi. Perubahan lingkungan kerja berupa jarak, pengiriman paket, suhu, dan interval waktu yang diterapkan peneliti dapat mempengaruhi tingkat pemakaian daya. Peneliti memberi rekomendasi kondisi lingkungan yang digunakan supaya sistem yang dibuat dapat berjalan dengan optimal. Penggunaan protokol zigbee akan optimal jika digunakan pada jarak m, pengiriman data dengan besaran bytes, suhu berada di < 30 dan > 20 celcius, dan interval waktu Kata kunci: Protokol Komunikasi, Arduino Uno, Zigbee (Xbee S-1), Solar Cell Power Management, Low Power Abstract Communication protocol on OSI Layer standardization, divided into several layers among them is data link layer. This layer divided into sub layers, one of which is MAC (Medium Access Control) used to transmit signals owned by nodes connected to the network without any conflict. Zigbee is one of the standardized communication protocols on the MAC sub layer that are known to be reliable and low power. With zigbee, the researcher has the idea of analyzing the power consumption level when this protocols are communicates. The communication system between the nodes was tested using xbee s-1 with arduino uno as microcontroller, and because xbee s-1 low power researchers gave solar cells as resources. Solar cells are used because they have self charging capabilities. System testing includes, changes in environmental conditions when nodes communicate. The last step in this research is to analyze the result data from the test to conclude the result of the research. The result of this research is zigbee communication using solar cell resources can be used in areas where the air temperature is stable and there are heat sources. The power of calor can provide arduino microcontroller power and xbee s-1 module to be used in communicating. Changes in working environment in the form of distance, delivery of packets, temperature, and time intervals applied by researchers can affect the level of power consumption. Researchers recommend environmental conditions that are used so that the system can be run optimally. The use of the zigbee protocol would be optimal if used at a distance of m, data transmission by bytes, temperatures at <30 and> 20 celcius, and time intervals seconds. Keywords: Communication Protocol, Arduino Uno, Zigbee (Xbee S-1), Solar Cell Power Management, Low Power Fakultas Ilmu Komputer Universitas Brawijaya 3006

2 Jurnal Pengembangan Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer PENDAHULUAN Dalam komunikasi jaringan terdapat beberapa arsitektur jaringan, salah satunya adalah OSI Layer, yaitu suatu arsitektur komunikasi yang mendefinisikan standar untuk menghubungkan beberapa komputer dari vendor yang berbeda. Pada OSI Layer terdapat 7 layer yang mempunyai peranan masing-masing pada proses komunikasi jaringan, yang diantaranya adalah data link layer. Pada penelitian ini peneliti fokus akan membahas tentang Data Link Layer yang di dalamnya terdapat metode yang dinamakan MAC (Medium Access Control). MAC adalah sebuah sub layer pada data link layer yang berfungsi untuk mentransmisikan sinyal yang dimiliki oleh node-node yang terhubung ke jaringan tanpa terjadi konflik. Beberapa jenis protkol komunikasi pada data link layer antara lain adalah, protokol bluetooth, wi-fi, dan zigbee (xbee). Digi International Inc, (2017) menyatakan bahwa xbee adalah sebuah modul untuk komunikasi radio dengan menggunakan prtokol zigbee xbee memliki fitur dimana mampu mengatur jaringan sendiri, maupun mengatur pertukaran data pada jaringan. Serta xbee dapat mengirimkan data secara reliable. Kelemahan dari xbee sendiri adalah jarak yang terbatas untuk berkomunikasi. Pada penelitian ini peneliti membahas mengenai protokol zigbee. Peneliti menggunakan protokol low power zigbee yang bertujuan untuk mengurangi pemakaian daya pada proses komunikasi, dan bisa menggunakan alternatif sumber daya. Sumber daya yang digunakan pada penelitian ini adalah solar cell. Tujuan dari pemilihan sumber daya ini karena memiliki beberapa kelebihan antara lain, mampu mengubah energi kalor menjadi energi listrik. Permasalahan yang terdapat pada penelitian terdahulu berupa paper tulisan Lutfi Ardiyanto dan Raden Sumiharto tahun 2012 dengan judul Implementasi Jaringan Sensor Nirkabel Berbasis xbee Studi Kasus Pemantauan Suhu dan Kelembaban menjadi dasar dalam penelitian ini. Aspek-aspek permasalahan yang dimaksud dalam penelitian tersebut diantaranya adalah, permasalahan mengukur jarak maksimal node dalam berkomunikasi, pengaruh suhu dan lingkungan, serta sumber daya node yang masih bergantung pada listrik konvensional (PLN). Selain permasalahan tiga aspek yang terdapat pada penelitian terdahulu, dalam penelitian tersebut belum membahas mengenai penggunaan sumber daya yang hemat energi. Dan penelitian terdahulu juga belum menganalisis dampak perubahan lingkuangan kerja terhadap tingkat penggunaan daya. Bersumber dari permasalahan tersebut maka dalam penelitian ini peneliti memiliki gagasan untuk menggunakan sistem dengan daya yang rendah tanpa mengesampingkan performa dari komunikasi, peneliti juga mempunyai gagasan untuk membuat suatu sistem yang dapat berkomunikasi dengan daya yang rendah untuk kebutuhan sehari-hari maupun kebutuhan secara khusus dan spesifik. Dan pada penelitian ini peneliti akan fokus untuk menganalisis tingkat pemakaian daya dan performansi dari protokol komunikasi zigbee (xbee) dengan skenario yang sudah ditentukan baik perubahan dari dalam sistem atau perubahan kondisi dari luar sistem yang dibuat. 2. PERANCANGAN SISTEM Gambar 1. Skema Perancangan Hardware 2.1 Perancangan Hardware Peneliti menggabungkan modul yang ada untuk membangun sebuah kesatuan modul yang nantinya dapat digunakan untuk pengujian penggunaan daya. Untuk satu set modul hardware yang digunakan adalah satu arduino uno, satu xbee s-1, satu solar cell, dan empat buah male to female cable. Tabel 1. Pemasangan PIN Pada Modul PIN XBEE PIN no 1 Xbee PIN ARDUINO PIN daya 3,3 V Arduino

3 Jurnal Pengembangan Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer 3008 PIN no 2 Xbee PIN no 3 Xbee PIN no 10 Xbee Power Input Arduino 2.2 Konfigurasi Software PIN 0 (RX) Arduino PIN 1 (TX) Arduino PIN Ground Arduino Modul Solar Cell/Port USB PC Pada Koordinator modul xbee akan disetting menjadi API mode dan untuk End Node menggunakan AT mode. Untuk penamaan node Koordinator, Ant Man, Iron Man, serta Spider Man sebagai End Node. PAN ID pada masingmasing node dirubah menjadi 1111 untuk menjadikan semua modul dalam satu PAN address sehingga dapat saling berkomunikasi. Dan pada arduino akan diupload program dari arduino library disini terdapat dua buah library yaitu untuk sender (Koordinator) dan receiver (End Node). 3. SKENARIO PENGUJIAN Gambar 2. Skema Perancangan Sistem 3.1 Pengujian Pengaruh Jarak Terhadap Konsumsi Daya Skenario pertama adalah apakah perubahan jarak antara node dapat mempengaruhi tingkat penggunaan daya, dengan variasi perubahan kondisi sebagai teks yaitu HelloWorld yang mempunyai ukuran sebesar 10 bytes. dirubah dari 10, 20, 30, 40, 50, 60,70, 80, 90, 100 m pada kondisi LOS (Line of Sight) dan penempatan keempat node pada 3.2 Pengujian Perubahan Pengiriman Paket Data End - Co Terhadap Konsumsi Daya Skenario kedua adalah apakah perubahan pengiriman paket data End - Co antara node dapat mempengaruhi tingkat penggunaan daya, dengan variasi perubahan kondisi sebagai penerima data dan tiga end node sebagai pengirim data. ukuran sebesar 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 bytes dari end node ke koordinator. 3.3 Pengujian Perubahan Pengiriman Paket Data Co - End Terhadap Konsumsi Daya Skenario ketiga adalah apakah perubahan pengiriman paket data Co - End antara node dapat mempengaruhi tingkat penggunaan daya, dengan variasi perubahan kondisi sebagai

4 Jurnal Pengembangan Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer 3009 ukuran sebesar 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100 bytes dari koordinator ke end node. 3.4 Pengujian Perubahan Suhu Lingkungan Terhadap Konsumsi Daya Skenario keempat adalah apakah perubahan suhu yang diterima dilingkungan yang dibuat dapat mempengaruhi kinerja antara node dan dapat mempengaruhi tingkat penggunaan daya mengingat bahwa power resource dari penelitian ini menggunakan solar cell yang dalam penggunaaannya sangat dipengaruhi faktor tersebut, dengan variasi perubahan kondisi sebagai ukuran sebesar 10 bytes dari koordinator ke end node. tiga jam dengan kondisi suhu dirubah dari 12, 14, 15, 18, 20, 25, 27, 30, 32, 35 dejarat celcius dan pada end node akan dilihat penggunaan daya yang dilihat dari amperemeter. 3.5 Pengujian Perubahan Interval Waktu Terhadap Konsumsi Daya Skenario kelima adalah apakah perubahan interval waktu pengiriman paket data dapat mempengaruhi tingkat penggunaan daya, dengan variasi perubahan kondisi sebagai ukuran sebesar 10 bytes dari koordinator ke end node. 4. Interval waktu pengiriman yaitu setiap 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, PENGUJIAN DAN ANALISIS Perancangan skenario uji adalah proses dimana semua pengujian dalam berbagai skenario dan perubahan kondisi dilakukan. Skenario pengujian yang akan diuji pada penelitian kali ini adalah perubahan jarak, Perubahan Pengiriman Paket, suhu, dan Interval waktu. Berikut ini adalah hasil dari pengujian sistem : Tabel 2 Tingkat Konsumsi Daya Dengan Perubahan Kondisi Jarak No. Jarak Pemakaian Daya/m ,4 mah ,5 mah ,8 mah ,1 mah ,9 mah mah ,7 mah

5 Jurnal Pengembangan Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer ,6 mah ,1 mah ,2 mah Di dalam tabel 2 dapat dilihat pemakaian rata-rata yang digunakan node dalam berkomunikasi yang dilakukan selama tiga jam percobaan dalam kondisi jarak ditingkatkan 10 m pada setiap percobaannya. Peningkatan yang terjadi memang tidak begitu signifikan pada jarak yang cukup dekat dari titik awal, peningkatan yang terjadi hanya sekitar 0,1-0,3 mah permenit. Dengan demikian penggunaan protokol ini dengan menggunakan jarak maksimal maka akan membuat tingkat pemakaian daya akan bertambah cukup signifikan, jadi dalam penggunaan protokol ini optimal digunakan pada jarak m sehingga daya yang digunakan tidak begitu besar kurang dari 3 mah permenit dan cenderung stabil. Jika digunakan pada jarak yang berada dibawah angka tersebut, misal pada jarak m dengan tingkat pemakaian daya yang hanya berkisar 2,1 2,2 mah. Tabel 3 Tingkat Konsumsi Daya Dengan Perubahan Kondisi Perubahan Pengiriman Paket End Co No. Perubahan Pengiriman Paket End-Co Pemakaian Daya/m 1 10 bytes/s 1,3 mah 2 20 bytes/s 1,6 mah 3 30 bytes/s 1,7 mah 4 40 bytes/s 1,9 mah 5 50 bytes/s 2,1 mah 6 60 bytes/s 2,4 mah 7 70 bytes/s 2,4 mah 8 80 bytes/s 2,5 mah 9 90 bytes/s 2,7 mah bytes/s 2,9 mah Data pada tabel 3 memberikan gambaran bahwa semakin banyaknya data yang ditransfer pada node juga berpengaruh terhadap tingkat penggunaan daya yang digunakan. Semakin banyak data yang dikirim setiap detiknya berbanding lurus dengan tingkat penggunaan daya yang semakin meningkat pula. Jadi dalam penggunaan yang optimal pengiriman data dan penggunaan daya adalah pengiriman data dengan besaran bytes karena pada titik tersebut daya yang digunakan stabil tidak terlalu memakan sumber daya. Sedangkan untuk mengirimkan data dalam skala kecil bisa menggunakan bytes ukuran paket data dikarenakan pada skala ini daya yang dipakai kurang dari 2 mah permenitnya. Tabel 4 Tingkat Konsumsi Daya Dengan Perubahan Kondisi Perubahan Pengiriman Paket Co End No. Perubahan Pengiriman Paket Co-End Pemakaian Daya/m 1 10 bytes/s 1,2 mah 2 20 bytes/s 1,4 mah 3 30 bytes/s 1,5 mah 4 40 bytes/s 1,8 mah 5 50 bytes/s 1,7 mah 6 60 bytes/s 2,2 mah 7 70 bytes/s 2,3 mah 8 80 bytes/s 2,5 mah 9 90 bytes/s 2,9 mah bytes/s 3,0 mah Data pada tabel 4 memberikan gambaran bahwa semakin banyaknya data yang ditransfer pada node juga berpengaruh terhadap tingkat penggunaan daya yang digunakan. Semakin banyak data yang dikirim setiap detiknya berbanding lurus dengan tingkat penggunaan daya yang semakin meningkat pula. Jadi dalam penggunaan yang optimal pengiriman data dan penggunaan daya adalah pengiriman data dengan besaran bytes karena pada titik tersebut daya yang digunakan stabil tidak terlalu memakan sumber daya. Sedangkan untuk mengirimkan data dalam skala kecil bisa menggunakan bytes ukuran paket data dikarenakan pada skala ini daya yang dipakai kurang dari 2 mah permenitnya. Tabel 5 Tingkat Konsumsi Daya Dengan Perubahan Kondisi Suhu No. Perubahan Suhu Pemakaian Daya/m 1 12 C 1,5 mah 2 14 C 1,6 mah 3 15 C 1,8 mah 4 18 C 1,9 mah 5 20 C 1,7 mah 6 25 C 1,6 mah 7 27 C 1,7 mah 8 30 C 1,9 mah 9 32 C 2,4 mah C 2,3 mah Pada tabel 5 peneliti dapat melihat bahwa protokol ini dapat bekerja optimal pada suhu ruangan yang stabil antara derajat celcius dengan tingkat penggunaan daya yang masih di

6 Jurnal Pengembangan Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer 3011 bawah 2 mah permenitnya. Dikarenakan menggunakan solar cell dengan suhu tersebut maka panel yang dapat mengubah tenaga Kalor menjadi tenaga listrik juga akan sangat baik pada waktu memberikan power kepada node dengan daya yang stabil. Jika suhu yang ada pada saat komunikasi tersebut berada di atas derajat celcius maka konsumsi yang digunakan juga semakin besar pula, apabila suhu pada saat melakukan percobaan lebih rendah maka dari penggunaan daya juga semakin rendah pula. Jadi pada kasus ini penggunaan protokol zigbee dengan sumber daya solar cell tidak disarankan pada daerah dengan cuaca dan suhu tidak menentu apalagi di daerah yang suhu rataratanya kurang dari 20 celcius. Tabel 6 Tingkat Konsumsi Daya Dengan Perubahan Kondisi Interval Waktu No. Interval Waktu Pemakaian Daya/m 1 5 Detik 3,0 mah 2 10 Detik 2,9 mah 3 15 Detik 2,5 mah 4 20 Detik 2,2 mah 5 25 Detik 1,8 mah 6 30 Detik 1,9 mah 7 35 Detik 1,5 mah 8 40 Detik 1,4 mah 9 45 Detik 1,1 mah Detik 1,1 mah Pada tabel 6 menunjukkan bahwa semakin lama jeda dari pengiriman paket data ke node akan semakin menghemat sumber daya yang digunakan. Dengan perubahan interval waktu pengiriman paket data peneliti dapat melihat tingkat pemakaian daya yang digunakan. Pada tingkat pemakaian yang intens dengan kondisi normal dapat dilihat bahwa penggunaan daya yang dibutuhkan mencapai 3 mah dalam satu menit. Dan pada penggunaan dengan interval waktu yang lama penggunaan dayanya turun sangat drastis yang hanya berkisar 1,1 mah permenit. Jadi protokol komunikasi ini optimal bila digunakan untuk komunikasi yang normal, tidak terlalu intens, dan hanya menerima dan mengirimkan data dengan rata-rata pertukaran paket Sehingga daya yang digunakan masih di bawah 2 mah. Dengan peningkatan interval waktu yang tinggi maka tingkat pengiriman data yang semakin tinggi dapat mempengaruhi pemakaian daya. peningkatan pemakaian daya ini terjadi karena Stress Level pada modul akan semakin tinggi dan hal ini membuat modul memerlukan daya lebih dibanding bila digunakan dengan interval waktu yang panjang. Dengan tingginya jumlah pengiriman data maka pemakaian daya akan semakin meningkat pula. 5. KESIMPULAN Kesimpulan pada penelitian ini adalah hasil rangkuman dari analisis yang didapatkan pada saat pengujian. Data hasil dari pengujian dan analisis pada bab sebelumnya akan ditampilkan secara ringkas dan jelas pada sub bab ini. Pada penelitian ini dapat ditarik kesimpulan sebagai Penggunaan protokol zigbee akan optimal jika digunakan pada jarak m dengan penggunaan daya masih dibawah 3 mah permenitnya. Pada jarak m tingkat pemakaian daya berkisar 2,1 2,2 mah. Penggunaan protokol zigbee akan optimal jika digunakan pada pengiriman data dengan besaran bytes dengan penggunaan daya masih dibawah 2,5 mah permenitnya. Pada besaran bytes pada skala ini daya yang dipakai kurang dari 2 mah permenitnya. Penggunaan protokol zigbee dengan sumber daya solar cell tidak disarankan pada daerah dengan cuaca dan suhu rata-ratanya kurang dari 20 celcius. Penggunaan daya akan optimal bila suhu berada di < 30 dan > 20 celcius. Penggunaan daya pada suhu di bawah 30 celcius daya yang digunakan dibawah 2 mah permenitnya. Penggunaan protokol zigbee akan optimal jika paket yang dikirimkan mempunyai interval waktu Sehingga daya yang digunakan masih di bawah 2 mah. DAFTAR PUSTAKA Arizal Lebda Septyantono danwirawan Simulasi dan Analisis Kinerja Protokol (Zigbee) pada Jaringan Sensor Nirkabel. Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS). Beny Firman, Suharyanto, Eka Firmansyah Implementasi Komunikasi Data BerbasisZigbee Pada Scada (Supervisory Control And Data Acquisition) PLTMH. Jurnal Teknologi. Fathur Zaini Rachman Implementasi Jaringan Sensor Nirkabel Menggunakan ZigbeePada Monitoring Tabung Inkubator Bayi. Politeknik Negeri Balikpapan.

7 Jurnal Pengembangan Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer 3012 Hung-Cheng CHEN dan Long-Yi CHANG Design and Implementation of a Zigbee-BasedWireless Automatic Meter Reading System. National Chin-Yi University of Technology. Jusak Implementasi Zigbee Ieee Untuk Pemantauan Suhu Dan KelembabanUdara. STMIK STIKOM Surabaya. Lutfi Ardiyanto dan Raden Sumiharto Implementasi Jaringan Sensor Nirkabel Berbasis Xbee Studi Kasus Pemantauan Suhu dan Kelembaban. Universitas Gadjah Mada (UGM). Matheus Cavalcante Performance Evaluation of Zigbee Transmissions on the Grass Environment. UBICOMM Muhammad Iqbal Rancang Bangun Wireless Sensor Network Berbasis Topologi Tree-Like Mesh Untuk Sistem Pemantauan Polusi Udara. Institut Pertanian Bogor (IPB). R. Ramalakshmi dan G.Balaji Power Management in Home Area Network UsingZigbee Protocol. International Journal of Science and Research (IJSR). Santa Barbara Design and Analysis of Arduino, Raspberry Pi, and Xbee Based Wireless Sensor Networks. University Of California Winardi Mengenal Teknologi Zigbee Sebagai standart Pengiriman Data SecaraWireless. Universitas Bina Nusantara. -Arduino-software-IDE/ lmdzhlcpk5ahsag