Jumat, 21 Desember 2012

WIRELESS SENSOR NETWORK dan TEKNOLOGI ZIGBEE



Wireless Sensor Network atau disingkat dengan WSN adalah suatu peralatan system embedded yang didalamnya terdapat satu atau lebih sensor dan dilengkapi dengan peralatan system komunikasi[1]. Sensor disini digunakan untuk menangkap informasi sesuai dengan karakteristik informasi yang diinginkan[1]. Beberapa contoh tipe sensor pada WSN adalah :

Tipe Sensor
Contoh Sensor
Temperatur
Thermistor, Thermocouple
Tekanan
Pressure gauge, barometer, ionization gauge
Optik
Photodiodes, phototransistors, infrared sensors, CCD sensors
Akustik
Piezoelectric resonators, microphones
Mekanik
Strain gauges, tactile sensors, capacitive diaphragms, piezoresistive cells
Gerakan dan Getaran
Accelerometers, gyroscopes, photo sensors
Posisi
GPS, ultrasound-based sensors, infrared-based sensors, inclinometers
Kelembaban
Capacitive and resistive sensors, hygrometers, MEMS-based humidity sensors
Radiasi
Ionization detectors, Geiger-Mueller counters

Sensor-sensor tersebut akan mengubah data analog ke data digital. Selanjutnya data dikirim ke suatu node melalui media komunikasi yang digunakannya, seperti bluetooth, infrared, dan Wifi[1].

LATAR BELAKANG WSN
Wireless sensor network (Jaringan Sensor Nirkabel) pada awalnya dikembangkan sebagai aplikasi militer untuk digunakan dalam survei medan perang. Namun, sekarang WSN digunakan dalam banyak aplikasi industri dan komersial lainnya untuk memantau kondisi lingkungan, aplikasi kesehatan dan kontrol lalu lintas. Pada saat ini ada berbagai jenis jaringan sensor nirkabel, dan semua jenis WSN saat ini dilengkapi dengan transceiver radio atau perangkat komunikasi nirkabel dan sumber energy (biasanya baterai)[2].

Ada banyak aplikasi untuk teknologi ini dan biasanya berfungsi dalam kegiatan pemantauan, pelacakan dan pengendalian. Fungsi pemantauan adalah salah satu fungsi yang sangat umum digunakan saat ini, yaitu untuk dapat melacak setiap jenis gerakan apakah itu panas, tekanan, suara, cahaya atau getaran di daerah tertentu.

Saat ini, teknologi WSN sudah digunakan hampir di setiap bidang industri, termasuk industri yang berhubungan dengan lingkungan hidup karena WSN adalah teknologi yang memungkinkan pembacaan berbagai macam perubahan di atmosfer dan bagaimana teknologi WSN ini dapat membantu untuk menentukan faktor-faktor sederhana seperti suhu air atau aspek yang lebih kompleks dari lingkungan seperti kemungkinan gempa bumi di daerah tertentu.
Kendaraan juga dapat dilacak melalui teknologi ini, oleh karena itu teknologi WSN juga digunakan dalam bidang industri keamanan. Ilmu kedokteran juga menggunakan teknologi WSN untuk dapat melacak perubahan pada beberapa monitor kesehatan dan memberitahu staf medis melalui perubahan dalam perangkat pemantauan[2].

Arsitektur Wireless Sensor Network
Setiap node WSN umumnya berisi sistem sensing, processing, communication dan power yang dapat diilustrasikan seperti pada gambar di bawah.


Bagaimana menggabungkan sistem-sistem tersebut adalah hal yang harus diperhatikan ketika kita melakukan perancangan[1]. Sistem processor merupakan bagian sistem yang terpenting pada WSN yang dapat mempengaruhi performance ataupun konsumsi energi. Beberapa pilihan untuk processor dapat memilih antara lain:
  • Microcontroller
  • Digital signal processor
  • Application-specific IC
  • Field programmable gate array

Arsitektur WSN terdiri dari data acquisition network dan data distribution network. Monitoring dan sistem kontrol dilakukan oleh management center[3].


Hardware pada Wireless Sensor Network

Komponen hardware dalam Wireless Sensor Network terdiri dari :
Sensorboard : contoh tipe MTS240
Mode Processor : contoh Mote (MPR 2400)
Gateway : contoh tipe MIB 600 untuk komunikasi jaringan sensor dan interface ethernet programming board (EPRB) untuk komunikasi server.
Server : contoh processor Intel pentium dual core CPU T2390 @ 1,86 GHz, memory DDR2 1GB.
Kontroler : contoh DT-51, switch panel, dimmer, motor stepper DC 12V.


Software pada Wireless Sensor Network

Sensor node membutuhkan sistem operasi untuk mengatur hardware dari sensor agar dapat berinteraksi dengan software aplikasinya. Contoh sistem operasi yang digunakan adalah TinyOS dengan bahasa pemrograman NesC.
TinyOS mengorganisir komponen perangkat lunaknya dalam beberapa lapisan. Lapisan terbawah terkait perangkat keras, dan lapisan tertinggi adalah aplikasi yang digunakan.
             



Prinsip Kerja Wireless Sensor Network
Sensorboard  mengumpulkan data berupa intensitas cahaya, temperatur, kelembaban, ataupun pergerakan objek dalam ruangan.
Mote kemudian mengirimkan data sensing ke gateway.
Gateway mengolah data sensing dan mengirimkannya ke server.
Server memproses data dari gateway untuk ditampilkan. Bila sensor melaporkan parameter yang melewati batasan yang ditentukan, server memberi perintah pada kontroler.
Kontroler mengendalikan switch untuk menaikkan atau menurunkan kinerja peralatan listrik.
Topologi yang dapat digunakan dalam penerapan Wireless Sensor Network adalah topologi Star, Ring, Bus, Tree, Mesh, dan, Fully connected.


 
Model protokol pada Wireless Sensor Network adalah model protocol generik yang dapat digunakan untuk mendeskripsikan jalur komunikasi (routing) di dalam jaringan sensor nirkabel. Protokol ini bersifat energy awareness.





 CONTOH IMPLEMENTASI
Implementasi Wireless Sensor Network dalam bidang pertanian



Dalam lingkungan pertanian dilakukan monitoring melalui WSN, dimana sistem kerjanya pada dasarnya hampir sama dengan sistem kerja jaringan WSN secara umum. Data dapat diakses melalui internet baik browser maupun mobile device.
Penerapan Wireless Sensor Network untuk Pengaturan Penggunaan Energi



Pemilik rumah dapat mengatur penggunaan energi listrik. Saat penggunaaan energi listrik mencapai titik maksimal dari yang ditentukan, secara otomatis jaringan sensor akan mengirim data ke gateway untuk diproses dan kontroler akan menurunkan nilai cahaya, temperatur, dan kelembaban ruangan.



TEKNOLOGI ZIGBEE
Perkembangan penerapan teknologi Wireless Sensor Network dengan menggunakan jaringan nirkabel ZigBee :

ZigBee
Umumnya Wireless Personal Area Network (WPAN) memiliki jarak komunikasi maksimal 10m saja. Lebih pendek dibandingkan dengan Wireless Local Area Network(WLAN). ZigBee termasuk dalam kategori WPAN bersama Bluetooth dan UWB (Ultra Wide Band). Ketiga tekologi inilah yang sekarang sedang menjadi perhatian dunia dalam bidang teknologi WPAN, khususnya ZigBee yang masih tergolong baru[3].

ZigBee adalah teknologi yang dikembangkan sebagai standar global untuk memenuhi kebutuhan jaringan nirkabel dengan biaya yang relatif murah dan tidak membutuhkan daya yang begitu besar. Teknologi ini telah dirancang dengan beberapa fitur yang dapat memberikan kemudahan dalam menggunakan solusi nirkabel yang menciptakan jaringan yang aman dan handal. Beberapa fitur dari Zigbee mencakup kemampuan untuk mendukung fungsi beberapa jaringan seperti point to point atau multipoint to point dan juga jaringan mesh. Karena berfungsi pada siklus kerja rendah, teknologi ini juga dianggap sangat baik dalam hal daya tahan baterai. Teknologi ini juga memiliki kemampuan untuk digunakan selama bertahun-tahun tanpa membutuhkan pemeliharaan yang rumit[3].

ZigBee hanya memiliki kecepatan komunikasi 250kbps, sementara Bluetooth sanggup melakukan komunikasi dengan kecepatan maksimal sampai 3Mbps dan terlebih UWB yang memiliki kecepatan komunkasi 480Mbps. Memang betul, ZigBee tidak mungkin digunakan untuk komunikasi-komunikasi yang membutuhkan kecepatan tinggi seperti untuk transmisi multimedia suara, video atau data-data yang besar. Tetapi pada sisi kehidupan kita sehari-hari yang lain, kita justru lebih sering bersentuhan pada hal-hal yang sifatnya pengontrolan informasi-informasi sensor yang tidak membutuhkan kecepatan pengiriman data yang tinggi. Seperti aplikasi sensor-sensor yang umumnya kita gunakan saat ini. Misalnya sensor suhu, kelembaban, cahaya, tekanan dan lain-lain. Komunikasi antar sensor-sensor (network sensor) inilah yang sebenarnya lebih banyak dibutuhkan pada rumah dan pabrik-pabrik[3].

Keunggulan ZigBee :
Di sinilah ZigBee memegang peranan yang tidak dapat dilakukan oleh WPAN lainnya. ZigBee dapat melakukan komunikasi dengan 65000 node ZigBee dalam waktu yang bersamaan dengan metode komunikasi multihop ad-hoc tanpa harus melakukan pengaturan apa pun padanya. Jenis komunikasi dalam bentuk bintang (star) maupun pohon (tree) dapat dilakukan sesama ZigBee tanpa memerlukan base station atau access point, sehingga dapat melakukan komunikasi secara acak[3].



Keunikan lain yang dimiliki oleh ZigBee adalah dapat dioperasikan dengan sebuah baterai (tipe kancing) selama satu tahun lebih non stop pada peralatan-peralatan sensor ZigBee. Karena ZigBee memiliki protocol stackyang sangat sederhana, ZigBee dapat mengirimkan data sepanjang 127 huruf (127 byte) saja. Data sekecil ini sangat bisa dikirim oleh ZigBee yang memiliki kecepatan pengiriman 250kbps, dan dapat mengurangi beban host CPU. Bila pada Bluetooth minimal dibutuhkan komputer mikro 32 bit, maka dengan ZigBee hanya membutuhkan komputer mikro 4 atau 8 bit saja. Selain itu, Bluetooth membutuhkan waktu inisialisasi sistem puluhan detik, sementara ZigBee hanya membutuhkan 30ms (sedangkan dari kondisi tidur/sleep sampai bangunya hanya perlu 15ms) saja. Ini sangat cocok untuk peralatan-peralatan sensor yang membutuhkan operasi kecepatan waktu ON/OFF nya tinggi[4].



Contoh Penggunaan ZigBee

Pada suatu gedung bertingkat, misalnya gedung perkantoran, hotel-hotel atau  apartemen, diperlukan suatu sistem pengendalian suhu. Hal ini dikarenakan banyaknya ruangan  sehingga sangat sulit untuk memantau pemakaian Air Conditioning (AC) setiap  ruangan.  Sistem pengendalian ini digunakan untuk memantau besarnya suhu setiap ruangan  sehingga dapat mengendalikan pemakaian AC. Teknologi Wireless Sensor Network memanfaatkan jaringan  nirkabel Zigbee sebagai komunikasi datanya, dimana setiap ruangan dipasang sebuah sensor suhu (sensor node). Sensor node yang dipasang di setiap ruangan tersebut saling berhubungan satu sama lain membetuk jaringan bintang, pohon (tree) atau mesh. Hasil pemantauan suhu dari setiap sensor node kemudian dikumpulkan dalam  sebuah Base Stasion Controller (BSC) yang menjadi pusat pengendali dan pengolahan  datanya, sehingga terbentuklah suatu sistem pengendalian suhu setiap ruangan pada gedung bertingkat tersebut.





12 komentar:

  1. terima kasih gan, artikelnya sangat membantu :)

    BalasHapus
  2. Terima kasih ya gan atas artikelnya, thanks for sharing :) inspiratif..!!!

    BalasHapus
  3. dapatkah zigbee disimulasikan menggunakan simulator ns2?

    BalasHapus
    Balasan
    1. menurut saya bisa. tergantung integrasi antara device terapan dengan simulator-2 (ns2) nya

      Hapus
  4. mas
    saya mau bertanya
    contoh pengaplikasian WSN dengn menggunakan Sensor Suhu dan Kelembapan apa saja?
    kebetulan saya memakai judul WSN ini untuk bahan skripsi saya , dan WSN yg saya gunakan tidak menggunakan ATMEGA , tetapi Raspberry PI dan Sensor Suhu DHT-11..
    terima kasih
    mohon Bantuannya

    BalasHapus
    Balasan
    1. contoh yg menggunakan sensor suhu dan kelembapan antara lain kontrol perangkat rumah tangga dan bangunan lainnya seperti AC, kompor, alarm kebakaran, dll. sederhana nya semua perangkat trsebut dapat dikontrol menggunakan sebuah controller dengan teknologi WSN.
      semoga sukses dengan skripsi nya :)

      Hapus
  5. mas ingin sharing ni. kl pengaplikasian wsn dengan gps gt kira kira pengerjaannya di bagian jaringan menggunakan protocol apa yg pas?

    BalasHapus
  6. WSN bisa digunakan untuk monitoring rumah kaca ga?

    BalasHapus
  7. permisi pak, ingin tanya pak, saya pernah menyinggung zigbee ditulisan saya berikut: http://datacomlink.blogspot.co.id/2015/11/implementasi-server-websocket-rfc-6455.html
    saya mendapatkan rujukan tentang zigbee dari jurnal berikut http://hdl.handle.net/10.1109/ISORC.2008.59 , nah yang ingin saya tanyakan, bagaimana ya pak cara kerja Atmel Atmega128L, TI cc2420, bisa terhubung dengan sensor humidity & temperature, lalu bisa memberi data lewat protokol zigbee? kira-kira saya perlu belajar dari mana? terima kasih pak

    BalasHapus
  8. Sangat membantu sekali. Barakallah bang :)

    BalasHapus
  9. nice info, can we use tiny os for simulating WSN and IOT?
    http://telcoconsultant.net/
    http://sinauonline.50webs.com/

    BalasHapus