WSN (Wireless Sensor Network) 1.
Pengertian
Wireless sensor Network (WSN) adalah suatu infrastruktur jaringan wireless yang menggunakan sensor untuk memonitor fisik (benda) atau kondisi lingkungan sekitar, seperti suhu, suara, getaran, gelombang elektromagnetik, tekanan, gerakan, dan lain-lain. Masing-masing node dalam jaringan sensor nirkabel biasanya dilengkapi dengan radio tranciever atau alat komunikasi wireless lainnya, mikrokontroler kecil, dan sumber energi (baterai).
Node sensor yang berfungsi sebagai pembangun jaringan, terdiri dari 4 bagian utama, yaitu:
Sensor untuk mendeteksi dan mengukur parameter-parameter aplikatif, prosesor pengolah data menjadi informasi;
Komunikasi / transceiver sebagai media pengiriman data;
Manajemen daya untuk menjamin keseluruhan sistem dapat berjalan dengan optimal.
Sistem ini termasuk ke dalam Low-rate Wireless Wireless Personal Area Area Networks karena bitrate rendah dan tidak memerlukan jarak komunikasi yang jauh. Sistem Wireless
sensor Network memiliki ciri-ciri sebagai berikut:
Berdaya dan biaya rendah, dimensi kecil, dan node sensor yang banyak;
Komunikasi rentang pendek, bersifat broadcast dan multi-hop routing;
Pengaturan jaringan mandiri (Network Self-organization and maintenance) terhadap perubahan topologi jaringan.
Adapun keuntungan yang bisa diperoleh dari teknologi WSN:
Simpel / praktis / ringkas karena tidak perlu ada instalasi kabel yang rumit dan dalam kondisi geografi tertentu sangat menguntungkan dibanding Wired Sensor;
Sensor menjadi bersifat mobile, artinya pada suatu saat dimungkinkan untuk memindahkan sensor untuk mendapat pengukuran yang lebih tepat tanpa harus khawatir mengubah disain ruangan maupun susunan kabel ruangan;
Meningkatkan efisiensi secara operasional;
Mengurangi total biaya sistem secara signifikan;
Dapat mengumpulkan data dalam jumlah besar;
Konfigurasi software mudah;
Memungkinkan komunikasi digital 2 arah;
Menyediakan konektivitas internet yang secara global, kapanpun dimanapun informasi tersebut dapat diakses melalui server,laptop,dan sebagainya.
Meskipun termasuk ke dalam kelas jaringan ad-hoc, namun jaringan sensor nirkabel berbeda dengan jaringan ad-hoc biasa, antara lain:
2.
Aktivitas sensing dengan jumlah node sensor yang banyak;
Data-rate rendah;
Duty-cyle rendah.
Protokol Komunikasi
Jaringan sensor nirkabel memiliki protokol komunikasi yang meliputi segala aspek sistem dari level perangkat keras hingga perangkat lunak. Protokol ini dimaksudkan untuk menjamin sistem dapat bekerja dengan optimal. Protocol Komunikasi ini terdiri dari 5 layer yaitu Physical, Data link , Network , Transport , dan Application. Berikut adalah penjelasan singkatnya.
a. Physical Layer Layer ini terkait dengan perangkat keras yang digunakan. Beberapa pengaturan yang dilakukan di layer ini adalah:
Pemilihan frekuensi dan jenis modulasi;
Optimasi teknik transmisi dan penerimaan data;
Deteksi sinyal dan enkripsi data;
Efisiensi daya pada desain perangkat keras.
b. Data link Layer Pada layer ini, terdapat protokol MAC yang bertugas untuk mengatur komunikasi data antara node asal dengan node tujuan. Parameter-parameter utama dalam protokol MAC adalah:
Efisiensi energy;
Skalabilitas;
Collision avoidance.
Secara umum, terdapat 2 macam protokol MAC, yaitu berbasis TDMA dan contention-based. 1. Basis TDMA Pertukaran data antar node dalam jaringan diatur berdasarkan slot-slot waktu yang disepakati bersama.
2. Contention-based Node-node yang ingin bertukar data harus berebutan untuk mendapatkan medium.
Basis TDMA
Contention-based
Keuntungan
collision avoidance
Skalabilitas
Kekurangan
Skalabilitas
efisiensi energi dan collision avoidance
Pemilihan protokol MAC didasarkan pada aplikasi dan topologi jaringan. Protokol TDMA biasa digunakan pada topologi tipe klaster sedangkan protokol Contention- based pada topologi flat. Contoh protokol berbasis TDMA adalah EMAC, dan contoh protokol Contention-based adalah S-MAC. Berikut penjelasan singkatnya.
Gambar II.3. Protokol E-MAC Protokol E-MAC terdiri dari frame, timeslot , dan section. Pada frame, terjadi pengaturan pertukaran data dan 1 frame terdiri dari beberapa timeslot .Pada timeslot terjadi pembagian tugas tiap node dan 1 slot terdiri dari beberapa section. Pada section adalah pengaturan proses komunikasi yang terdiri dari CR
(request
transmission), TC (traffic control), dan paket data. Protokol ini diilustrasikan pada
gambar II.3 di atas.
Gambar II.4. Protokol S-MAC
Pada protokol Sensor-MAC (S-MAC), terdapat 3 bagian pengaturan, yaitu sinkronisasi waktu dengar/tidur antar node dengan paket SYNC, perebutan medium oleh node yang aktif melalui CS (Carrier Sense) , dan proses komunikasi data dengan skema RTS/CTS/DATA/ACK. Protokol ini diilustrasikan pada Gambar II.4 di atas
c. Network Layer Layer ini bertanggung jawab pada routing data dari sensor ke sensor lainnya. Fungsi self – organizing pada jaringan sensor nirkabel terletak pada algoritma penelusuran data dari asal node ke node tujuan. Algoritma ini juga yang akan menentukan ada tidaknya perubahan topologi jaringan.
d. Transport Layer Layer ini berfungsi untuk menjaga arus pertukaran data. Penelitian di layer ini belum terlalu banyak diminati.
e. Application Layer Pada layer ini, pengaturan lebih lanjut dilakukan terkait dengan proses agregasi dan diseminasi data dalam jaringan sensor. Penelitian di layer i ni juga belum terlalu banyak diminati.
3.
Topologi Wireless Sensor Network
Terdapat 2 macam topologi Wireless sensor Network, yaitu cluster-type dan flattype. Topologi Jaringan Cluster dapat dilihat pada gambar II.4 di bawah ini. Pada
topologi ini, node-node sensor diatur dalam susunan secara hierarki sehingga terdapat 3 macam node, yaitu child node, cluster head , dan parent node. Cluster head berfungsi sebagai pengatur beberapa child node dalam aplikasinya.
Beberapa cluster head menjadi anggota dari sebuah parent node. Sedangkan untuk topologi jaringan flat, seperti dapat dilihat pada Gambar II.5 di bawah ini, hanya terdapat 2 macam node secara fungsional, yaitu sensor / source node dan sink
node. Semua sensor node dalam sistem mengirim data ke satu tujuan akhir, yaitu sink node. Proses pertukaran data dilakukan secara nirkabel pada frekuensi 2400 MHz. Frekuensi ini dipilih karena merupakan salah satu alokasi frekuensi bebas pada ISM Bands. Alokasi frekuensi ISM lain yang tersedia adalah 315, 433, 868, 915, dan 2400
MHz.
Gambar II.4. Topologi jaringan cluster-type
Gambar II.5. Topologi jaringan flat-type
4.
Arsitektur WSN
Pada WSN, node sensor disebar dengan tujuan untuk menangkap adanya gejala atau fenomena yang hendak diteliti. Jumlah node yang disebar dapat ditentukan sesuai kebutuhan dan tergantung beberapa faktor misalnya luas area, kemampuan sensing node, dan sebagainya.
Tiap
node
memiliki
kemampuan
untuk
mengumpulkan
data
dan
meroutingkannya kembali ke Base Station. Node sensor dapat mengumpulkan data dalam jumlah yang besar dari gejala yang timbul dari lingkungan sekitar. Sekarang ini perkembangan node sensor mengikuti trend teknologi nano, dimana ukuran node sensor menjadi semakin kecil dari tahun ke tahun. Node sensor dapat direpresentasikan oleh Gambar II.6. berikut:
Gambar II.6. Perkembangan dimensi node sensor terhadap waktu
Dan untuk arsitektur WSN secara umum dapat direpresentasikan oleh gambar II.7. berikut:
Gambar II.7. Arsitektur WSN secara umum
Pada Gambar II.7. dapat dilihat, node sensor yang berukuran kecil disebar dalam di suatu area sensor. Node sensor tersebut memiliki kemampuan untuk merutekan data yang dikumpulkan ke node lain yang berdekatan. Data dikirimkan melalui transmisi radio akan diteruskan menuju BS ( Base Station) yang merupakan penghubung antara node sensor dan user . Informasi tersebut dapat diakses melalui berbagai platform seperti koneksi internet atau satelit sehingga memungkinkan user untuk dapat mengakses secara realtime melalui remote server.
5.
Bagian – bagian pada WSN
WSN terbagi atas 5 bagian, yaitu: 1. Transceiver Transceiver
ini
berfungsi
untuk
menerima/mengirim
data
dengan
menggunakan protokol IEEE 802.15.4 atau IEEE 802.11b/g kepada device lain seperti concentrator , modem Wifi, dan modem RF. 2. Mikrokontroler Mikrokontroler ini
mengontrol
dan
berfungsi
memproses
untuk
melakukan
device – device
yang
fungsi
perhitungan,
terhubung
dengan
mikrokontroler .
3. Power Souce Power Souce ini berfungsi sebagai sumber energi bagi sistem Wireless Sensor
secara keseluruhan. 4. External Memory External Memory ini berfungsi sebagai tambahan memory bagi sistem Wireless Sensor, pada dasarnya sebuah unit mikrokontroler memiliki unit memory sendiri.
5. Sensor Sensor berfungsi untuk men – sensing besaran – besaran fisis yang hendak
diukur. Sensor adalah suatu alat yang mampu untuk mengubah suatu bentuk energi ke bentuk energi lain, dalam hal ini adalah mengubah dari energi besaran yang diukur menjadi energi listrik yang kemudian diubah oleh ADC menjadi deretan pulsa terkuantisasi yang kemudian bisa dibaca oleh mikrokontroler . 6.
Standar WSN
Wireless Sensor menggunakan 2 standar komunikasi wireless, yaitu: 1. IEEE 802.15.4 Protokol IEEE 802.15.4 ini merupakan salah satu macam dari protokol – protokol pada WPAN (Wireless Personal Area Networks ), salah satu contoh dari WPAN yang lainnya adalah bluetooth. Protokol IEEE 802.15.4 ini merupakan standar untuk gelombang radio (RF). Protokol ini
bekerja pada data rate yang rendah agar batere bisa tahan lama, dan sederhana. Suatu device yang menggunakan protokol ini, dapat terkoneksi dengan baik pada radius maksimal 10 m dan dengan data rate maksimal 250 Kbit/s dengan alat lainnya. Protokol ini menggunakan 3 pita frekuensi untuk keperluan operasionalnya, seperti: o
868 – 868.8 MHz untuk daerah Eropa.
o
902 – 928 MHz untuk daerah Amerika Utara.
o
2400 – 2483.5 MHz untuk daerah lainnya diseluruh dunia.
ZigBee merupakan salah satu vendor yang mengembangkan layer – layer
diatas layer untuk IEEE 802.15.4 ini. Pada perkembangannya saat ini, protokol ini sudah mendukung penggunaan Ipv6, dengan ditandai lahirnya RFC 4919 ( Request For Comments 4919) dan RFC 4944 ( Request For Comments 4844).
2.
IEEE 802.11 Protokol ini terdiri atas beberapa jenis standar lain untuk WLAN (Wireless Local Area Networks ), saat ini yang paling populer adalah IEEE 802.11g dan 802.11b . Pada Wireless Sensor Network digunakan
protokol IEEE 802.11b/g . Protokol IEEE 802.11 ini memiliki beberapa channel yang frekuensinya berbeda, agar tidak terjadi interferensi antar device IEEE 802.11 ini, pembagian frekuensi untuk tiap – tiap channel diatur oleh kebijakan masing – masing negara. Protokol IEEE 802.11b yang digunakan pada Wireless Sensor , mempunyai data rate maksimum 11 Mbit/s. Pada kenyataannya, protokol ini hanya
mampu mempunyai data rate maksimum 5,9 Mbit/s dengan TCP, dan 7,1 Mbit/s untuk UDP ( User Datagram Protocol ). Hal ini karena adanya overhead pada CSMA. Protokol IEEE 802.11b ini mampu beroperasi pada
radius jarak 38 m dari device lain, dan memiliki frekuensi operasi pada 2,4 GHz.
7.
Aplikasi WSN
Sensor polusi merupakan sebuah perangkat sensor yang digunakan untuk pemantauan tingkat polusi atau mendeteksi tingkat kontaminasi udara terutama oleh kandungan karbon dioksida. Contoh spesifikasi teknis dari sensor ini adalah :
Type : TGS2600 General Air Quality
Fungsi : mendeteksi besarnya kontaminasi dalam udara.
Target gas : hydrogen dan carbon monoxide.
Output : Tegangan
Implementasi sistem wireless..., Maribun Sibarani, FT UI, 2008
Typical detection range : 100 – 1000 ppm
Circuit voltage : 5 V DC.
Heater voltage : 5 V DC/AC.
Resistansi sensor : 10K - 90K ohm di udara.
Gambar II.8. Sensor polusi tipe TGS2600 General Air Quality.
