Wireless Sensor Network
Konsep Dasar Wireless Sensor Network merupakan :
Suatu jaringan nirkabel (tanpa kabel) yang terdiri dari base station dan kumpulan node sensor yang tersebar (dalam jumlah besar) di suatu area tertentu
Node sensor digunakan sebagai media untuk mengumpulkan data yang nantinya melalui proses tertentu akan menghasilkan informasi sesuai dengan karakteristik tertentu, sehingga dapat digunakan untuk memonitor suatu sistem atau lingkungan seperti temperatur, kelembapan, tekanan,dll.
Node sensor dilengkapi dengan peralatan sistem komunikasi sehingga dapat saling terhubung dengan node sensor lainnya
Ilustrasi Penggunaan WSN WSN dapat digunakan dengan sensor sederhana yang memonitoring suatu fenomena sedangkan untuk yang komplek maka setiap WSN akan mempunyai lebih dari satu sensor sehingga WSN dapat melakukan banyak monitoring untuk suatu fenomena. Jika WSN ini dihubungkan ke gateway yang dapat mengakses internet maka WSN ini dapat diakses dan berkolaborasi dengan sistem lain
Alur Kerja WSN Data yang telah didapat oleh sensor akan dikumpulkan di base station lalu akan dikirimkan secara nirkabel ke sink atau gateway pusat dengan melalui beberapa sensor (Hal ini dikarenakan keterbatasan hardware dan penghematan energi, WSN menggunakan metode komunikasi rendah daya yang berarti jarak transmisi terbatas, sehingga setiap titik sensor harus mengoper data ke titik sensor lainnya sampai akhirnya sampai ke sink/gateway)
Alur Kerja WSN (cont.)
Selanjutnya dari gateway pusat, data akan disalurkan menuju web server (internet) sehingga nantinya host controller/user dapat mengakses jaringan internet tersebut untuk memonitor dan memproses data, dengan sebelumnya sinyal analog dari data akan diubah menjadi sinyal digital
Pada host controller, data digital dapat diproses dengan memberikan input tertentu , untuk melakukan suatu proses tertentu pada suatu sistem
Data digital yang telah dibaca dan diproses akan dikembalikan kembali ke data analog dan dikirimkan kembali ke suatu aktuator/sistem
Alur Kerja WSN (Cont.) •
Sering kali hasil dari ouput yang diperoleh dari sensor tidak bisa langsung diolah, sehingga perlu dilakukan pengolahan melalui rangkaian pengkondisi sinyal
•
Setelah itu output akan masuk ke rangkaian analog to digital converter (ADC). Sekarang sinyal telah berupa sinyal digital dan bisa di proses, di simpan ataupun di tampilkan
•
Terakhir sinyal digital akan dikembalikan ke sinyal analog, sebuah jaringan sensor aktuator nirkabel dapat mengendalikan input untuk aktuator, sehingga dapat berinteraksi dengan dunia luar
Tipe-tipe sensor pada WSN Berikut tipe-tipe sensor yang dapat digunakan untuk mengumpulkan/menangkap data berdasarkan karakteristik tertentu, yang nantinya dapat digunakan untuk menghasilkan suatu informasi berdasarkan proses terkait selanjutnya
Thermocouple
Apa itu Node Sensor??
Node pada jaringan sensor nirkabel terdiri dari beberapa komponen diantaranya sensor, baterai, mikrokontroler, dan sirkuit analog
Perangkat sensor pada dasarnya dibentuk oleh bagian komputasi yang bertanggung jawab untuk menyimpan dan mengirimkan data, dan sebagian penginderaan yang dapat dibentuk oleh satu atau lebih sensor, seperti akustik, seismik, kamera video inframerah, suhu, dan tekanan
Secara umum, dua format modulasi yang tersedia: Frekuensi-Shift-Key (FSK) yang beroperasi di 433 dan 868-915 MHz dan direct sequence spread spectrum (DSSS) yang beroperasi di pita 2,4 GHz yang mengirimkan 802.15.4 dan standar ZigBee
Jangkauan radio bervariasi dari 10 hingga 100 meter
Node Sensor •
Gambar disamping mengilustrasikan macammacam node sensor seperti IRIS, TelosB, Rene2, MicaZ, dll.
•
Sebuah anggaran yang diumumkan oleh perusahaan Cina Mensic3 pada januari 2012 menunjukkan bahwa biaya untuk node sensor Micaz sebesar U$ 114,00 dan U$ 160,00 untuk TelosB, tidak termasuk bea impor dan pembelian minimal harus sebesar U$ 1.000,00
Perangkat WSN
Berikut ilustrasi dari perangkatperangkat yang dibutuhkan dalam membangun Wireless System Network
Perangkat WSN (Cont.)
Gateway
Berikut ilustrasi lain dari perangkat node sensor dan gateway dari Waspmote
Node Sensor
Contoh Implementasi WSN di Kehidupan Nyata Smart Dust adalah salah satu proyek militer DARPA yang digunakan untuk sistem C4ISRT (command, control, communication, computing, intelligence, surveillance, reconnaissance and targeting). Berwujud sebuah kotak bervolume 100 milimeter kubik dengan 2 chip, yaitu chip MEMS (micro electro mechanical system) dengan sederet transmitter dan chip CMOS ASIC dengan receiver optik, charge pump dan digital controller. Smart Dust ditebarkan di medan perang/target dengan berbagai cara seperti pesawat pengebom tabur
Contoh Implementasi WSN di Kehidupan Nyata (Cont.) Boomerang Sniper Detection System memiliki wujud berupa batangan yang dikelilingi mikrofon untuk mendeteksi suara tembakan halus sniper rifle. Biasa ditaruh di kendaraan perang atau dibawa oleh tentara reconnaissance
Contoh Implementasi WSN di Kehidupan Nyata (Cont.) 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
Contoh Implementasi WSN di Kehidupan Nyata (Cont.) 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
Contoh Implementasi WSN di Kehidupan Nyata (Cont.)
FireBug • • •
• •
Sistem Instrumentasi Wildfire Menggunakan Sensor Jaringan Memungkinkan analisis prediksi terhadap perkembangan perilaku api Firebugs: GPS-enabled, sensor termal nirkabel nodes berdasarkan TinyOS yang mengorganisasikan diri ke dalam jaringan untuk mengumpulkan data real time dalam lingkungan yang sering terjadi kebakaran liar Software arsitektur: Beberapa lapisan berinteraksi (Sensor, Pengolahan data sensor, pusat komando) Sebuah proyek oleh University of California, Berkeley, CA.
Contoh Implementasi WSN di Kehidupan Nyata (Cont.) Pemantauan Habitat di pulau Great Duck Intel Research Laboratory di Berkeley memulai kerjasama dengan Universitas Atlantik di Bar Harbor dan University of California di Berkeley untuk menyebarkan jaringan sensor nirkabel pada Great Duck Island, Maine (pada tahun 2002) Memantau iklim mikro di dan sekitar liang bersarang yang digunakan oleh burung Leach’s Storm Petrel
Struktur Topologi WSN
Star Network
Mesh Network
Hybrid Star
Star Network
Sebuah jaringan Star adalah topologi komunikasi di mana satu base station dapat mengirim dan / atau menerima pesan ke sejumlah remote node
Remote node tidak diizinkan untuk mengirim pesan satu sama lain
Keuntungan dan Kerugian
Keuntungan dari jenis jaringan ini untuk Wireless Sensor Network meliputi kesederhanaan, kemampuan untuk menjaga konsumsi daya remote node seminimum mungkin. Hal ini juga memungkinkan latensi komunikasi rendah antara remote node dan base station
Kerugian dari jaringan tersebut adalah bahwa base station harus berada dalam jangkauan transmisi radio semua node individu dan tidak sekuat/sama kekuatannya dengan jaringan lain karena ketergantungannya pada node tunggal untuk mengelola jaringan
Mesh Network
Sebuah jaringan Mesh memungkinkan transmisi data ke satu node ke node lain dalam jaringan dalam jangkauan transmisi radio
Hal ini memungkinkan untuk apa yang dikenal sebagai komunikasi multi-hop, yaitu, jika sebuah node ingin mengirim pesan ke node lain yang berada di luar jangkauan komunikasi radio, dapat menggunakan simpul menengah untuk meneruskan pesan ke node yang diinginkan
Keuntungan dan Kerugian
Topologi jaringan ini memiliki keuntungan akan redundansi dan skalabilitas. Jika node individu gagal, remote node masih dapat berkomunikasi dengan node lain dalam jangkauan, yang pada gilirannya, dapat meneruskan pesan ke lokasi yang diinginkan. Selain itu, jangkauan jaringan tidak selalu dibatasi oleh rentang antara node tunggal, melainkan dapat diperpanjang dengan menambahkan node lagi ke sistem
Kerugian dari jenis jaringan ini yaitu dalam konsumsi daya untuk node yang menerapkan multi-hop komunikasi umumnya lebih tinggi daripada untuk node yang tidak memiliki kemampuan ini, oleh karena itu sering membatasi masa pakai baterai. Selain itu, karena jumlah komunikasi hop ke tujuan meningkat, waktu untuk menyampaikan pesan juga meningkat, terutama jika operasi daya rendah dari node adalah suatu kebutuhan
Hybrid Star-Mesh
Sebuah jaringan hybrid antara Star dan Mesh menyediakan jaringan komunikasi yang kuat dan serbaguna, dengan tetap mempertahankan kemampuan untuk menjaga konsumsi daya node sensor nirkabel seminimum mungkin
Dalam topologi jaringan ini, node sensor dengan daya terendah tidak diaktifkan dengan kemampuan untuk meneruskan pesan. Hal ini memungkinkan untuk konsumsi daya minimal tetap dipertahankan
Hybrid Star-Mesh
Namun, node lain pada jaringan diaktifkan dengan kemampuan multi-hop, yang memungkinkan mereka untuk meneruskan pesan dari node daya rendah ke node lain pada jaringan. Umumnya, node dengan kemampuan multi-hop memiliki kekuatan yang lebih tinggi, dan jika mungkin, sering dihubungkan ke dalam saluran listrik. Ini adalah topologi yang diimplementasikan oleh standar jaringan Mesh yang dikenal sebagai ZigBee
Protocol Stack WSN
Masing-masing node sensor yang tersebar memiliki kemampuan untuk mengumpulkan data dan menyalurkan data kembali ke Sink dan pengguna akhir. Data diarahkan kembali ke pengguna akhir dengan arsitektur infrastructure-less melalui Sink. Sink dapat berkomunikasi dengan task manager node melalui internet atau satelit
Protocol Stack WSN (Cont.)
Protocol stack yang dipakai oleh sink dan node sensor ditunjukkan pada gambar dibawah ini. Protocol stack ini menggabungkan kekuatan dan routing awareness , mengintegrasikan data dengan protokol jaringan, menyalurkan daya secara efisien melalui media nirkabel dan mengedepankan kerja koperatif dari node sensor
Protocol Stack WSN (Cont.)
Protocol stack terdiri dari application layer, transport layer, network layer, data link layer, physical layer, power management plane, mobility management plane, dan task management plane
Berbagai jenis perangkat lunak aplikasi dapat dibangun dan digunakan pada application layer tergantung pada tugas yang akan dilakukan. Lapisan ini membuat hardware dan software dari lapisan terendah secara transparan ke pengguna akhir. Transport layer membantu untuk mempertahankan aliran data jika aplikasi sensor jaringan membutuhkannya. Network layer mengurus routing data yang diberikan oleh transport layer
Protocol Stack WSN (Cont.)
Data link layer bertanggung jawab untuk multiplexing aliran data, deteksi frame, Media Access Control (MAC) dan kontrol kesalahan. Karena lingkungan yang bising, protokol MAC harus sadar daya dan mampu meminimalkan tabrakan dengan sinyal yang lain
Lapisan fisik menyediakan kebutuhan sederhana namun penting tentang modulasi, pemilihan frekuensi, enkripsi data, transmisi dan teknik penerimaan (sinyal/data)
Selain itu, power, mobility, dan task management planes memantau kekuatan daya, gerakan, dan distribusi tugas antara node sensor. Pesawat ini membantu node sensor mengkoordinasikan tugas penginderaan (sensing) dan menurunkan konsumsi energi secara keseluruhan
Routing Protocol WSN
Teknik Tradisional
Flooding
Gossiping
Teknik Routing Saat ini
Data Centric Routing
Hierarchical Routing
QoS-based Routing
Location-based Routing
Flooding
Sebuah mekanisme klasik untuk relay data dalam jaringan sensor tanpa perlu algoritma routing apapun dan pemeliharaan topologi
Setiap node yang menerima paket akan langsung menyiarkannya / menyebarkannya, jika jumlah hop maksimum paket tidak tercapai
Kekurangan:
Ledakan/Implosion
Overlay
Kebutaan Sumberdaya
Gossiping
Sebuah versi yang sedikit ditingkatkan dari teknik Flooding di mana node penerima mengirimkan paket ke node tetangga yang dipilih secara acak yang kemudian memilih node tetangga lainnya untuk meneruskan paket dan seterusnya.
Keuntungan: menghindari ledakan/Implosion
Kelemahan: delay saat transmisi
Data Centric Routing
Data Centric Routing: protokol Data Centric Routing memiliki arsitektur dimana Sink yang berkomunikasi dengan aea-area tertentu untuk mengumpulkan data dari sensor yang terletak di area yang ditentukan. Sebuah contoh dari protokol tersebut adalah SPIN ((Sensor Protocols for Information via Negotiation) yang merupakan protokol data-sentris pertama yang memerlukan negosiasi data antar node untuk menghilangkan data yang berlebihan dan untuk menghemat energi
Hierarchical Routing
Hierarchical Routing: routing yang berupaya untuk mempertahankan konsumsi daya untuk node sensor secara efisien dengan melibatkan mereka dalam komunikasi multi-hop dalam cluster tertentu. Data tersebut kemudian dikumpulkan dan disatukan dalam rangka mengurangi jumlah pesan yang dikirim ke Sink. LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) adalah salah satu pendekatan Hierarchical routing yang pertama untuk jaringan sensor dimana kelompok node sensor yang dibentuk berdasarkan kekuatan sinyal yang diterima
Cluster-heads kemudian digunakan sebagai router untuk Sink. Ini akan menghemat energi karena transmisi hanya akan dilakukan oleh cluster heads tersebut tidak oleh semua node sensor. Protokol lain sangat terinspirasi oleh protokol ini, seperti TEEN (Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network protocol) yang dirancang untuk menjadi responsif terhadap perubahan mendadak dalam merasakan/mendeteksi atribut seperti suhu
QoS-based Routing
QoS-based Routing: protokol ini mempertimbangkan kebutuhan delay/jeda end-tuned ketika mengatur jalan dalam jaringan sensor. Salah satu contoh yang terkenal adalah protokol SPEED. Protokol ini bekerja dengan membuat setiap node mempertahankan informasi tentang tetangganya dan menggunakan pendekatan geografis untuk menemukan jalan. Selain itu, SPEED berusaha untuk memastikan kecepatan tertentu untuk setiap paket dalam jaringan, sehingga setiap aplikasi dapat memperkirakan delay/jeda end-to-end untuk paket dengan membagi jarak ke Sink dengan kecepatan paket sebelum membuat keputusan penerimaan
Location-based Routing
Location-based Routing: Sebagian besar protokol routing untuk sensor jaringan memerlukan informasi lokasi untuk node sensor. Dalam kebanyakan kasus, informasi lokasi yang diperlukan untuk menghitung jarak antara dua node tertentu sehingga konsumsi daya dapat diperkirakan. Karena, tidak ada skema pengalamatan untuk sensor jaringan seperti alamat IP dan mereka secara spasial digunakan pada suatu daerah, informasi lokasi dapat digunakan dalam routing data dalam cara yang hemat daya
Salah satu contoh protokol tersebut adalah GPSR, yang merupakan protokol serakah. Dalam protokol ini, setiap node memilih hop berikutnya sebagai tetangga terdekat ke tujuan. Dalam kasus, ketika node (saat ini) lebih jauh ke tujuan daripada ke semua node tetangganya (kasus seperti ini disebut kasus kekosongan wilayah), maka digunakan pendekatan perimeter berdasarkan konsep grafik planar
Multihop Routing
Masalah minimisasi daya dalam WSN adalah hal yang dipertimbangkan. Data yang dikirimkan ke BS dari K SNs didistribusikan ke seluruh area sel BS. SNs dapat berkomunikasi dengan BS menggunakan teknologi komunikasi jarak jauh (misalnya, UMTS / HSPA, WiMAX atau LTE), atau dengan SNs tetangga menggunakan teknologi jarak pendek (misalnya, Bluetooth atau WLAN)
Multihop Routing (Cont.)
Sebuah protokol untuk komunikasi multihop yang efisien dalam penggunaan daya dalam WSN disajikan dan dianalisis. Dalam pendekatan yang disajikan, SN membentuk cluster atau kelompok. Dalam setiap cluster, SNs berkomunikasi satu sama lain melalui link/jaringan multihop, dan SN pada hop terakhir berkomunikasi dengan BS dengan menyampaikan data multihop agregat.
Dengan demikian, kerjasama antara SN dimanfaatkan untuk kepentingan efisiensi energi
Multihop Routing (Cont.)
Setiap SN mentransmisikan data yang diukur/ditangkap untuk tujuan tunggal, yang dapat berupa BS atau SN lain. Disini dipertimbangkan masalah minimisasi energi diselesaikan dengan multihop / clustering. BS dan SN dilambangkan sebagai "node", dengan node k = 0 sesuai dengan BS dan node k = 1, ..., K sesuai SNs
Multihop Routing (Cont.)
Seperti ditunjukkan dalam Gambar. 1, node tersebut muncul untuk membentuk Direct Acyclic Graph(DAG) mulai dari node k = 0. Jika node j menerima data dari simpul k pada hop h, parameter diatur ke satu, menandai adanya garis dalam grafik antara k dan j. Jika tidak, diatur ke nol.
Disini Cj didefinisikan sebagai himpunan anak-anak dari j, yaitu, himpunan node yang mengirim data langsung ke j:
Himpunan Dj didefinisikan sebagai sub-DAG mulai dari j, yaitu, menganggap j sebagai akarnya. Ini termasuk j, anak-anaknya, anak dari anak-anaknya, dst. Dengan demikian, dapat dinyatakan sebagai:
Multihop Routing (Cont.)
Gambar disamping menunjukkan model sistem komunikasi multihop. Jumlah maksimum hop yang diperbolehkan (H) dapat ditentukan sebagai parameter.
Multihop Routing (Cont.) Dengan komunikasi dua hop (kasus H = 2), masalahnya menjadi masalah pengelompokan yang terdiri dari menemukan pengelompokan terbaik SNs ke dalam cluster terkooperasi, seperti ditunjukkan pada gambar disamping
Contoh Aplikasi – Memonitor Kualitas Udara
Aplikasi penting WSN adalah memonitor parameter lingkungan. Dengan kemajuan dalam produksi kecil, akurat, sensor daya rendah, hal ini menjadi lebih dan lebih mungkin untuk menyebarkan WSN untuk terus memantau kualitas udara. WSN akan melaporkan konsentrasi beberapa polutan di atmosfer, dan hasil dari pengumpulan dan pengukuran data dapat dilaporkan dan dilihat oleh masyarakat umum melalui website khusus, aplikasi mobile, dll.
Contoh Aplikasi – Memonitor Kualitas Udara (Cont.) Selain itu, hasil pengukuran yang tersimpan dapat dilihat oleh para ilmuwan ahli lingkungan untuk menganalisis dan menilai informasi polusi dalam rangka untuk menyerahkan rekomendasi kepada otoritas terkait untuk mengambil tindakan yang tepat
Sistem model untuk pemantauan polusi udara ditampilkan pada gambar disamping
Contoh Aplikasi – Memonitor Kualitas Udara (Cont.) Setiap BS mencakup sel daerah tertentu, di mana beberapa SNs dikerahkan untuk memantau parameter lingkungan. Arsitektur mengikuti pendekatan three-tier:
Sensor node (SNs): meliputi sensor, mengukur polutan yang akan dimonitor, misalnya, CO, NOx, Ozon, dan Particulate Matter (PM), di samping parameter lingkungan lain seperti kelembaban relatif dan suhu
Database server: data yang diterima di BS dikirim ke server database di mana disimpan menggunakan format umum dalam rangka untuk mengotomatisasi ekstraksi dan analisis. Data diukur mungkin : ada yang hilang, berisik, atau salah nilai. Pengecekan integritas data harus dilakukan sebelum menyimpan data untuk penggunaan selanjutnya. Setelah itu, data menjadi siap untuk analisis dan tampilan
Contoh Aplikasi – Memonitor Kualitas Udara (Cont.)
Klien tier: terdiri dari aplikasi client-side yang berjalan pada komputer atau mobile perangkat, misalnya ponsel pintar. Aplikasi ini mengakses jaringan melalui server, yang meneruskan data yang tersimpan diterima dari sensor. Contoh aplikasi termasuk situs web yang terus diperbarui secara berkala dengan ringkasan data dan statistik, visualisasi data dengan tampilan lokasi sensor pada peta (bersama dengan pengukuran masingmasing SN), dan aplikasi penyebaran data seperti SMS alert yang berkaitan dengan tingkat polusi di daerah tertentu
