Arsitektur Wireless Sensor Network 2.1. 2.1.
Node Nodess Archite hitekt ktur uree
Pada wireless sensor network (WSN) terdapat elemen penting yaitu yaitu wireless sensor nodes. nodes. Melalui node dapat dilakukan sensing, pengolahan data dan komunikasi. Node sensor melakukan penyimpanan data, mengekseskusi protokol komunikasi, dan pemprosesan data.
Kualitas,
ukuran, dan frekuensi data sensing dapat diekstrak melalui jarigan dengan dipengaruhi oleh sumer daya fisik yang tersedia pada node. !leh karena itu desain dan implementasi dari wireless sensor nodes merupakan nodes merupakan langkah penting yang harus dilakukan. Node dalam WSN seringkali diseut seagai " mote#, Sensor selalu melekat pada mote. Mote ertanggung jawa untuk penyimpanan, komputasi, dan komunikasi, sedangkan sensor ertanggung jawa untuk penginderaan penginderaa n fenomena fisik seperti suhu, $ahaya, $aha ya, suara, getaran, dan lain seagainya . Sensor node mengumpulkan data dan dapat melakukan pengolahan dijaringan pada data yang dikumpulkan. Selanjutnya data yang telah terkumpul akan diteruskan ke pusat pengumpulan data (sink atau ase station) untuk dianalisis atau pegolahan leih lanjut. Sink merupakan kesatuan yang mengumpulkan informasi dari node sensor sehingga dapat dilakukan pengolahan informasi leih lanjut. %erdapat tiga entuk sink yaitu sink dapat erupa sensor yang lain dalam entuk sensor&a$tuator dari jaringan itu sendiri atau jaringan lain. Sink dapat erupa seuah laptop atau komputer yang digunakan untuk erinteraksi dengan jaringan sensor. 'ahkan sink dapat erupa gateway ke jaringan yang leih esar seperti internet sehingga interaksi dapat dilakukan melalui jarak yang sangat jauh dan tidak terkoneksi se$ara langsung dengan jaringan sensor. Pada dasarnya mote mirip seperti komputer, walaupun entuk dan kemampuannya tidak seperti umumnya komputer yang kita gunakan saat ini, karena kemampuannya masih teratas pada ukuran yang $ukup ke$il, tetapi fungsi dari mote terseut seperti komputer dan tentu saja semaki semakin n hari hari kemamp kemampuann uannya ya akan akan semaki semakin n mening meningkat kat.. Mote Mote di lengka lengkapi pi alat alat pempro pemproses sesan an (P), (P), memori memori,, sejuml sejumlah ah antarm antarmuka uka input& input&out output put yang dapat dapat diprog diprogram ram (terin (terinteg tegras rasii pada mikrok mikrokont ontrol roller ler), ), trans$ trans$ei* ei*er er untuk untuk komuni komunikas kasii radio, radio, sumer sumer daya daya energi energi yang yang umumnya umumnya meng menggun gunaka akan n ater aterai ai,, dan dan eer eerap apaa pera perala lata tan n tam tamah ahan an yang yang dapa dapatt di sert sertaka akan n sesu sesuai ai keutuhan. +amar .-. Memperlihatkan komponen utama penyusun seuah mote
Gambar 2.1 Struktur tama Seuah Mote
nit sensing iasanya terdiri dari satu atau leih sensor dan nalog to /igital on*erter (/). Sensor mengamati fenomena fisik dan menghasilkan sinyal analog erdasarkan fenomena yang diamati. / mengkon*ersi sinyal analog menjadi sinyal digital, yang kemudian diumpankan ke unit pro$essing. Pada unit pro$essing terdiri dari seuah mikrokontroler atau mikropro$esor dengan memori (misalnya intel strong0M mikroprosesor dan tmel1s mikropro$essor 20), yang menyediakan kontrol $erdas untuk node sensor. Selanjutnya unit $ommuni$ation terdiri dari radio dengan jangkauan pendek untuk performansi proses transmisi data dan penerimaan melalui saluran radio, dan pada unit power terdiri dari aterai untuk pasokan daya dalam menggerakkan semua komponen dalam sistem /alam menggaungkan sistem3sistem terseut adalah hal yang harus diperhatikan ketika melakukan peran$angan. Sistem pro$essor merupakan agian sistem yang terpenting pada WSN yang dapat mempengaruhi performan$e ataupun konsumsi energi. 'eerapa pilihan pro$essor dapat digunakan adalah seagai erikut# •
Mi$ro$ontroller
/igital Signal Pro$essor plikasi3spe$ifi$ 4 • 5ield programmale gate array • Node memiliki kemampuan yang ereda3eda. 'erikut ini dijelaskan eerapa jenis node •
dalam WSN6 Sensor Node6 yaitu node yang erfungsi untuk mema$a data lingkungan atau ojek • yang dipantau. ntuk keperluan pema$aan atau penginderaan, node ini dilengkapi dengan satu atau eerapa perangkat sensor. /ari kemampuannya, node ini dapat diagi menjadi dua jenis. Pertama, node dengan kemampuan standar (misalnya Proyek 7ydra), dan kedua yaitu node yang telah dilengkapi dengan fasilitas yang leih aik seperti kamera, wireless lN, longger, Weser*er, ds. Node jenis ini juga •
mampu melakukan komputasi yang leih kompleks di anding jenis yang pertama. 0outer6 yaitu node yang erfungsi untuk meneruskan paket data dari seuah node ke node lainnya. Node ini erguna untuk keperluan komunikasi multi3hop. /alam
•
apikasi nyata, kita dapat memprogram seuah sensor node ertindak seagai router Sink Node6 yaitu node yang erfungsi untuk mengumpulkan data penginderaan dari sensor node,kemudian meneruskan ke parangkat lain atau sistem lain., seperti dataase ser*er untuk penyimpanan. Selain untuk mengumpulkan data dari sensor node, sink juga erfugsi seagai penyear paket dari perangkat atau sistem lain ke WSN, misalnya untuk keperluan pemprograman atau konfigurasi ulang sensor node se$ara remote.
/alam memenuhi keutuhan untuk WSN, jaringan sensor haruslah memenuhi kriteria seagai erikut -. 8aringan sensor haruslah mampu erdiri sendiri. . Pemrosesan yang dilakukan se$ara ersama haruslah menghasilkan data yang leih akurat. 9. 8aringan sensor memutuhkan mekanisme keamanan yang dapat menyesuaikan dengan kondisi jaringan. :. Semua algoritma dan protocol komunikasi haruslah optimal dari sisi energinya. %elah anyak pihak yang mengemangkan WSN. 'eerapa perusahaan yang telah memanfaatkan WSN se$ara komersial antara lain rossow, S$atterWe, dll. Sedangkan institusi
pendidikan yang telah mengemangkan WSN leih dulu adalah ni*ersity of alifornia 'erkeley. rossow %e$hnology, in$ merupakan perusahaan yang memerikan solusi teknologi WSN yang erdiri sejak tahun -;;<. Komponen teknologi WSN yang ditawarkan terdiri dari tiga jenis yaitu mote, sensor, dan gateway. rossow telah mengeluarkan eerapa tipe platform mote yang mempunyai karakeristik dan fungsi tersendiri. %ipe mote yang paling aru dirilis adalah mote dengan frekuensi kerja ,: +7= uatan rossow %e$hnology, in$ yaitu platform Mi$a= +amar . erikut memperlihatkan eragam platform node dengan kemampuan yang ereda3 eda
Gambar 2.2 'eragam Platform Node yang dapat digunakan untuk Mengemangkan plikasi WSN
Tabel 1 Beberapa tipe Platform dan Spesifikasi Mote rossbow Mote 7ardware Platform
404S
Models (as of april >><)
?M-->
MP0:>> MP0&:>>&:->&:> MP0<>>&<->&<>
%Mega-@A
%Mega-@A
M
hip %ype
M4=
B.9B M7=, @ it
M4
M4/!%
: M7=, @ it
Program Memory (k') S0M (k')
Sensor 'oard 4nterfa$e
/efault power sour$e
2.2.
@
:
%ype
<-3pin
-@3pin
->3'it /
B, > 2 to 9 2 input
C,> 2 to 9 2 input
0%
-
!ther 4nterfa$es
/4!, 4
/4!
hip
05 %rans$ei*er (0adio)
-@
059>
:>
->>>
0adio 5reDuen$y (M7=)
:>>
9-<&:99&;-<
MaE /ata 0ate (kit&se$)
<>
9@.:
%ype
,E
oin (09<:)
typi$al $apa$ity (m3hr)
>>>
Architektur Wireless Sensor Network
Wireless sensor network terdiri dari anyak node sensor yang diletakkan didekat oyek yang akan diteliti. Setiap node iasanya dilengkapi dengan mikrokontroller dan sumer energi (iasanya erupa atteray atau solar $ell). WSN iasanya erupa jaringan wireless ad3ho$, yang erarti ahwa setiap sensor mendukung algoritma raouting multi-hop dimana node3node juga erfungsi seagai forwarder yang me3relay paket data ke stasiun pusat. Penggunaan arsitektur adho$ dalam jaringan sensor nirkael dikarenakan arsiteksur ini paling tepat dan paling murah untuk diterapkan dalam lingkungan nirkael, mengurangi iaya key factor pada anyak jaringan, seperti instalasi, maintenence dan keutuhan operasional lainya.
Karakteristik WSN diagi menjadi dua kelompok, yaitu karakteristik sink node dan karakteristik dari node itu sendiri yaitu seagai erikut6 !lat"based /alam arsitektur flat-based semua node memainkan peran sama dan tidak ada yang
terpusat (hirarki). 5lat routing proto$ol mendistriusikan informasi yang diperlukan untuk setiap node sensor yang terjangkau dalam jaringan sensor. %idak ada upaya dilakukan untuk mengatur jaringan atau trafik, hanya untuk menemukan rute teraik dengan hop3hop ke tujuan dengan jalan manapun #ierarchical"based rsitektur ini merupakan routing protocol untuk men$oa menghemat energi dengan mengatur node dalam $luster. Node3node dalam $luster mengirimkan data ke $luster head, dan $luster head inilah yang meneruskan data ke ase station. lustering yang agus memainkan peran penting dalam skalailitas jaringan serta penghematan energy. Sisi negati*e dari struktur jaringan ini adalah $luster dapat menyeakan kema$etan, ini karena hanya satu kepala erkomunikasi atas nama seluruh $luster, sehingga penurunan energi teresar akan terjadi pada $luster head terseut. +amar .9 menunjukkan jaringan hierar$hi$al3ased6
Gambar 2.$ 8aringan 7ierar$hi$al3ased
Sedangkan arsitektur jaringan sensor nirkael erdasarkan karakteristik node sensornya diagi menjadi dua kategori, yaitu Single-Hop dan Multi-Hop. Pada topologi single3hop, data yang
diperoleh dari node sensor langsung dikirimkan kedata sink tanpa melalui sensor node yang lainnya. 'erikut gamar diagram dari single3hop
Gambar 2.% %opology WSN Single37op
Sedangkan pada topologi multi-hop data yang diperoleh dari node sensor dikirimkan melalui antar sensor terdekat kemudian dikirimkan ke data sink. %opologi ini merupakan solusi dari topologi seelumnya, dengan menggunakan jalur komunikasi yang leih anyak untuk meningkatkan kehandalan sistem. /alam seuah jaringan multi-hop, node mempertahankan jalur komunikasi untuk kemali ke sink, sehingga jika salah satu node sensor mengalami gangguan maka node sensor lain tidak akan terganggu. 'erikut gamar diagram dari multi3hop
Gambar 2.& %opology WSN Multi37op
2.$.
'omponen Pen(usun Wireless Sensor Network 2.$.1. #ardware
Salah satu tantangan dalam idang WSN adalah pemuatan sensor node yang hemat energi dan seke$il mungkin. Sensor node diaratkan seperti komputer ke$il, dengan kemampuan dasar seperti agian tampilan dan komponen3komponen lain yang ada di dalamnya Komponen3kompenen terseut iasanya terdiri dari satu unit pemproses dengan kemampuan komputasi dan memori yang teratas, sensor (dengan kondisi yang khusus sesuai dengan fenomena yang diindera), alat komunikasi (iasanya erupa radio tran$ei*er), sumer tenaga yang ke$il iasanya erentuk aterai, kemungkinan yang lain adalah seuah modul pengolahan energi, dan alat komunikasi $adangan. +amar erikut menunjukkan $ontoh hardware WSN node
Gambar 2.) ontoh 7ardware WSN Node
Seuah WSN umumnya terdiri atas agian3agian erikut6
%rans$ei*er, erfungsi untuk menerima& mengirim data dengan menggunakan
protokol 4FFF @>.-<.: kepada de*i$e lain seperti modem Wifi dan modem 05. Mikrokontroller, erfungsi untuk melakukan fungsi perhitungan, mengontrol dan
memproses de*i$e3de*i$e yang terhuung dengan mikrokontroler Power Sour$e, erfungsi seagai sumer energi agi sistem WSN se$ara keseluruhan FEternal Memory, erfungsi seagai tamahan memory agi sistem WSN, pada dasarnya seuah unit mikrokontroler memiliki unit memory sendiri
Sensor, erfungsi untuk men3sensing esaran3esaran fisik yang hendak diukur. Sensor adalah suatu alat yang mampu untuk menguah suatu entuk energi ke entuk lainnya, dalam hal ini adalah menguah dari energi esaran yang diukur menjadi energi listrik yang kemudian diuah oleh / menjadi deratan pulsa terkuantisasi yang kemudian isa dia$a oleh mikrokontroler
Prinsip Kerja WSN yaitu sensor mengumpulkan data erupa intensitas $ahaya, temperatur, kelemaan, ataupun pergerakan ojek dalam ruangan. Node kemudian mengirimkan data sensing ke sink. Sink mengelolah data sensing dan mengirimkan ke ser*er. Selanjutnya ser*er memproses data dari sink untuk ditampilkan. 'ila sensor melaporkan parameter yang melewati atas yang ditentukan, ser*er memeri perintah pada kontroler. Selanjutnya kontroler mengendalikan swit$h untuk menaikkam atau menurunkan kinerja peralatan listrik. 2.$.2. Software Node memutuhkan perangkat lunak untuk mengontrol akti*itas3akti*itas yang
memuat setiap perangkatnya dapat dimanfaatkan se$ara optimal. Seperti sistem operasi dan aplikasi. Sistem operasi erfungsi menyediakan fungsi3fungsi dasar untuk mengatur kerja dari perangkat keras dan perangkat lunak yang erjalan diatasnya, termasuk menyediakan antarmuka pemprograman untuk pengemangan aplikasi WSN. !perating sistem yang digunakan pada node sensor network tidak terlalu komplek jika diandingkan dengan operating sistem pada umumnya. !S ini leih mirip dengan emeded sistem karena dua alasan. Pertama, WSN diterapkan dengan fungsi3fungsi khusus dari pada umumnya. Kedua WSN memerlukan desain yang murah dan menggunakan energi ke$il, sehingga mendorong node3node sensor terseut harus menggunakan mikrokontroller daya rendah. Mikrokontroller tidak akan menjalankan mekanisme3mekanisme yang tidak terlalu penting, misalnya *irtual memory, karena hal itu terlalu sulit dijalankan. 'eerapa sistem operasi erikut yang anyak digunakan pada sistem operasi WSN antara lain eos atau u& !S. kan tetapi operating terseut didesain untuk keperluan yang ersifat realtime. %iny!S dapat dikatakan operating sistem yang se$ara khusus didesain untuk sistem WSN. %iny!S erasis event-driven programming model yang
menggantikan model mutirhreading. 'eerapa operating sistem lainnya antara lain lain ntiki, nano30K Aite!S dan 0toS. Sistem operasi diatas dilegkapi antarmuka pemprogaman aplikasi (P4), komponen software, modul awaan yang memudahkan pengemang aplikasi menulis aplikasi WS3nya sendiri. /iantara ahasa pemprograman yang anyak digunakan yaitu , GG, ja*a dan nes (nes adalah ahasa pemprograman yang menggunakan dialek ahasa , dan digunakan untuk menulis aplikasi disistem operasi %iny!S). dapun pengemangan aplikasi WSN se$ara umum mengikuti prinsip pengemangan aplikasi pada sistem emeded. /imana pengemang aplikasi menulis aplikasiya menggunakan komputer lain, kemudian mengkompile dan menyamung kode aplikasi terseut dengan sejumlah pustaka yang diutuhkan termasuk penyamung dengan kode sistem operasi, proses ini menghasilkan seuah image yang telah terisi kode aplikasi dengan sistem operasi yang siap diupload ke node untuk dieksekusi. +amar .B memperlihatkan proses pengemangan aplikasi hingga uploading eEe$uttale image ke node. Setelah program ditulis dan di kompilasi pada seuah P, selajutnya diupload menggunakan node $onfigurator, proses upload image ke node pada gamar erikut menggunakan programming oard yang menghuungkan komputer (P) dengan node. Setelah proses aploading image sukses, node dapat diaktifkan untuk memulai tugasnya.
Gambar 2.*. ontoh Proses Pengemangan plikasi WSN
2.$.$. Spesifikasi dan Standar Wireless Sensor Network
Pada Wireless Sensor Network yang diutamakan adalah penghematan energi karena iasanya WSN digunakan untuk penginderaan daerah3daerah yang tidak isa dijangkau oleh manusia dan pengisian aterai yang mustahil. Karena anyak *endor yang memuat parangkat WSN, maka seuah standarisasi harus di$iptakan untuk menjaga kompatiilitas arsitektur hardware dan software. Wireless Sensor menggunakan standarisasi 4FFF @>.-<.: yang merupakan standarisasi untuk teknologi wireless dengan data rate rendah. Hig'ee adalah salah satu *endor yang meggunakan standarisasi dari 4FFF @>.-<.:. 4FFF @>.-<.: merupakan salah satu standar jaringan WPN. Aeih jelasnya, 4FFF @>.-<.: ekerja pada low rate sekitar <> K'&s sehingga 4FFF @>.-<.: dikenal juga dengan Aow 0ate WPN atau A03WPN. /engan fitur low rate ini memuat konsumsi energi juga menjadi leih ke$il. 8angkauannya juga sangat pendek antara -3 9>M. Sangat $o$ok untuk komunikasi antar peralatan yang tidak jauh karena standar ini konsumsi dayanya leih sedikit sehingga isa menghemat atterai. Protokol ini menggunakan 9 pita freDuensi untuk keperluan operasional. Seperti6
@C@3@C@.@ M7= untuk daerah Fropa ;>3;@ M7= untuk daerah merika tara :>>3:@9.< M7= untuk daerah lainnya diseluruh dunia
2.%. iri Wireless Sensor Network Seagai salah satu teknologi dalam jaringan komputer, WSN memiliki enam uah $iri yang
memedakan dengan jenis jaringan komputer lainnya. Keenam $iri utama terseut yaitu seagai erikut6 Terdiri Atas +inimal ,ua Buah Node Sensor WSN terdiri dari dua uah node yang ersifat otonami (tidak ergantung pada ser*er), dapat melayani dirinya sendiri dan dapat melayani node sensor lainya. danya minimal duah uah node erfungsi untuk melakukan sensing terhadap lingkungan sesuai tujuan dan studi kasus untuk kemudian dikirim ke komputer ser*er, menjamin pemagian kerja dengan hasil yang leih aik dan memudahkan node sensor untuk saling erkomunikasi satu sama lain. Self -rani/in Network 0S-N Self !rgani=ing Network (S!N) memiliki arti ahwa WSN terdiri atas sejumlah node sensor yang memiliki kemampuan $erdas dalam entuk implementasi rtifi$ial
intellegen$e (Ke$erdasan 'uatan) untuk dapat melakukan proses peren$anaan (planning), konfigurasi, manajemen dan optimaasi terhadap jaringan komputer yang ditempati. Konsep S!N menjadiksn jaringan $omputer memiliki kemandirian dan kemampuan untuk melakukan menejemen dan organisasi didalam lingkup dirinya sensiri sepert $ontoh implementasinya pada N+MN (NeEt generation moile Network) dan 9+PP (9rd +eneration Partnership Proje$t) Self Network +aintenance SNM merupakan kemampuan dari WSN untuk melakukan pemeliharaan, perawatan, dan peraikan jaringan komputer yang di tempatinya oleh node sensor se$ara madiri atau otonomi. Selain itu peraikan kemampuan kepada node sensor untuk dapat merespon apaila terjadi peruahan rute dari alamt asal (sour$e) menuju alamt tujaun (destination) sehingga dalam hal tael routing dapat eruah se$ara $epat mengikuti kondisi dan keutuhan jaringan. Peniriman Paket ,ata Bersifat Broadcast 'road$ast adalah proses untuk pengiriman paket data se$ara langsun dalam jumlah anyakdan terus menerus yang ditujukan ke $lient (Node Sensor). Namun dalam proses pengiriman ukan hanya agaimana antar node3node melakukan pengumpulan data dan megirim data ke ser*er atpi juga melakukan road$ast ke node sensor lainya eoad$ast data emanfaat agi node sensor agi node sensor lainya untukmemperoleh data yang sama. +enunakan +ultihop outin Multi 7op 0outing merupakan kemampuan untuk megirimkan paket data dari node sensor asal ke node sensor tujuan agar peniriman paket data dapt diterima node penerima untuk penyimpanan data maupun pengolahan data menjadi informasi. 'omunikasi ,ilakukan ,alam 3arak (an elati4e Pendek Komunikasi antara node sensor dilakukan dalam jarak relatif dekat karena6 a. Node sensor pada WSN adalah perangkat komputer ke$il dengan sumer ke$il maka dalam implementasinya dipasang dengan jarak dekat dan erkomunikasi dengan jaringan nirkael . Node sensor pada WSN
memiliki
keteratasan
sumer
daya
maka
implementasinya dilakukan erdekatan untuk menghemat sumer daya juga memper$epat komunikasi antar node sonsor. 2.&.
Sistem -perasi Wireless Sensor Network
Sistem operasi pada WSN se$ara logi$al erada di dalam hardware node WSN dan aplikasi menyediakan astraksi asi$ programming agar de*eloper dapat memuat program yang akan menjalankan WSN. 5ungsi dari sistem operasi adalah6 Memory management • Power management • 5ile management • Networking • Programming en*ironment • P4 runtime untuk aplikasi • 'erikut ini $ontoh sistem operasi yang dapat digunakan pada WSN6 %iny!S, www.tynios.net Aite!S, www.liteos.net • Windows F, www.mi$rosoft.$om& windowsemedded • 2.). 5atihan -. $ari tahu tentang standar komunikasi, sejarahnya dan maksud dari nilaiE . tugas diskusi memahas tentang $ontoh opating sistem pada WSN se$ara lengkap eserta •
$ontoh pengaplikasian. (modul y arir)