1
Implementasi Protokol Ad-Hoc pada WSN Module untuk SHMS pada Jembatan Bentang Panjang Moh. Zainal Arifin, Eko Setijadi, Gatot Kusrahardjo Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia e-mail:
[email protected],
[email protected] Abstrak— Wireless sensor network dengan menggunakan protokol ad-hoc untuk aplikasi SHMS pada jembatan bentang panjang telah dirancang, dan diintegrasikan antar node sensornya. Nodesensor digolongkan menjadi tiga kategori yaitu end device, router, dan coordinator. End device memiliki tugas untuk memaket data dari pembacaan sensor dan mengirimnya ke node router. Node router memiliki dua tugas memaket data dari hasil pembacaan sensor dan melakukan forwarding untuk paket yang diterima dari node lain. Nodecoordinator bertugas untuk menerima paket-paket dari router yang kemudian dikumpulkan pada komputer yang terhubung dengan coordinator.Implementasi protokol ad-hoc pada modul WSN dapat diimplementasikan dengan menentukan nodenoderouter yang akan dituju kedalam program yang akan dimuatkan pada perangkat mikrokontroler. Unjuk kerja dari perangkat yang telah diintegrasikan menunjukkan troughtput1612,796 bps, paket loss 62,083%, dan delay ent-to-end 1,556701 detik. Kata kunci : ad-hoc, coordinator, end device, mikrokontroler, routerSHMS, wireless sensor network.
I. PENDAHULUAN Jembatan merupakan salah satu infrastruktur yang vital bagi perkembagan kegiatan sosial dan ekonomi suatu daerah. Dalam segi sosial dan ekonomi jembatan berperan dalam pengembangan suatu daerah yang sedikit tertinggal dengan menghubugkan dengan daerah lain yang lebih modern dari segi sosial maupun ekonomi. Karena jembatan dapat mempermudah akses trasportasi antara dua daerah tersebut, dan juga mengurangi biaya transportasinya. Dan kita ketahui bersama, seiring berjalannya waktu jembatan akan bertambah usianya. Dan hal tersebut menyebabkan jembatan semakin membutuhan pemeliharaa yang rutin, rehabilitas dan perbaikan agar tidak terjadi kerusakan yang berdampak buruk. Kerusakan infrastruktur pada jembatan pada umumnya terjadi dengan frekuensi dan waktu yang tidak dapat dikendalikan meski jembatan tersebut didesain dapat beroprasi dengan life time yang telah di tentukan. Kerusakan infrastruktur pada jembatan yang tertimbun akibat tidak ada perawatan yang terjadwal akan memerlukan biaya yang tinggi. Hal tersebut akan berpengaruh terhadap kemampuan fisik dari jembatan, untuk memperhitungkan kemampuan fisik tersebut diperlukan penialain terhadap kondisi dari jembatan. Penilaaian tersebut perlu dilakukan secara terus menerus agar dapat ditentukan suatu tindakan
rasional dari hasil penilaian tersebut. Hal inilah yang merupakan tantangan bagi para ahli kontruksi. Teknologi yang mampu memantau kondisi jembatan Bridges Structural Healt Monitoring System. Degan menggunakan sistem ini jembatan dapat dipantau dari ruang monitorig yang menerima data secara aktual dan real time yang di ambil oleh sensor-sensor yang terpasang pada jembatan. Kemudian dari data yang didapat tersebut dapat digunakan oleh para ahli kotruksi unntuk megambil kesimpulan untuk mencegah terjadinya hal berakibat fatal[2]. Dalam implementasi Bridges Structure Health Monitoring memerlukan banyak kabel yang menghubungkan sensor-sensor yang terpasang pada titik-titik tertetu di jembatan. Hal ini tentu saja memiliki tingkat kesulitan dan dibutuhkan ketelitian yang tingggi dalam instalasi perangkat dan pemeliharaannya. Berdasarkan studi[3] instalasi kabel tersebut memerlukan 25% dari anggaran implementasi seluruh sistem Bridges Structure Health Monitoring, dan memerlukan 75% dari waktu total instalasi keseluruhan sistem[4]. Sehingga salah satu solusi yang menawarkan solusi dari masalah tersebut adalah dengan menggunakan jaringan sensor nirkabel pada node-node sensornya, sehingga tidak terlalu disibukkan oleh terlalu banyak kabel. Dalam tugas akhir ini jarigan sesor nirkabel yang terpasang melakukan transmisi data yang terbaca oleh sensor dengan mennggunakan protokol ad-hoc. Sehinga data-data yang dikirim dari node sebelumnya sudah dikemas dalam paket-paket data yang didalamnya terdapat informasi alamat node pengirim agar ketika digabung dengan paket data dari node lain saat pentransmisian data dapat diketahui asal paket data yang di terima oleh balai monitoring. Masalah yang akan dibahas dalam tugas akhir ini adalah : a. Bagaimana mengimplementasikan protokol ad-hoc pada modul wireless sensor network (WSN). b. Bagaimana memodifikasi protokol pengiriman data ketika ada node yang berstatus tidak aktif pada SHMS. II. PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI A. Gambaran Umum Sistem Peancangan node sensor pada monitoring jembatan bentag panjang ini meliputi beberapa pekerjaan utama, meliputi perancangan dan implementasi perangkat kerasyang didalamnya berupa integrasi antar perangkat keras penyusun tiap node, integrasi antar node, hingga data dari hasil pembacaan dari sensor dapat dikomunikasikan ke pegelola data berupa komputer.
2 Secara umum kerja dari jaringan sensor ini adalah dengan pengumpulan data-data hasil pembacaan dari sensor pada tiap node yang kemudian dikomunikasikan secara ad-hoc dengan node lain hingga data tersebut sampai kebagian pengelola data.
end device akan mengirim melalui router untuk paket data selanjutnya. Jika end device tidak menerima ACK dari router, end device akan menigrim paket dengan destinatio address router lain. Jika router tersebut mengirimkan ACK end device melakukan seperti pada yang di urai diatas. ACK dari router ditunggu dalam kurun waktu tertentu sebelum end device melakukan pengiriman paket pada router lain. Aliran data yang akan dikomunikasikan dapat dapat dilihat seperti pada Gambar 3 berikut.
sensor
Xbee
Gambar 1. Arsitektur akuisisi data Wireless Sensor Network untuk monitoring kesehatan jembatan Dari Gambar 1 digambarkan bahwa aliran data dari pembacaan sensor mengalir dari sisi kanan ke sisi kiri hingga sampai pada titik merah yang terhubung secara serial dengan komputer. Data dari node yang paling kanan diharapkan dapat dikomunikasikan secara ad-hoc melalui node-node disampingnya hingga sampai pada coordinator node. Untuk efisiensi sistem, satu paket data dari tiap node hanya akan ditranmisikan satu kali pada jaringan sensor tersebut. Sehinnga tidak ada apaket ganda yang diterima oleh tiap router node. B. Desain dan Implementasi Perangkat Node Sensor Pada tugas akhir ini node sensor diklasifikasikan menjadi tiga jenis node sensor yaitu end device, router, dan coordinator. Setiap node dilengkapi dengan mikrokontroler, sensor, dan modul RF, kecuali pada node coordinator yang tidak terdapat sensor. Hasil pembacaan dari sensor akan diirim dalam bentuk paket data. Paket yang dikirim dari node sensor dengan format seperti pada Gambar 2 berikut.
Mikrokontroler Gambar 3. Aliran data dari sensor hingga keluar dari untuk ditransmisikan Router Router juga dapat menentukan hop yang akan dipilih selanjutnya. Dengan langkah yang sama seperti dilakukan end device, router juga menunggu ACK dari reouter yang dituju untuk menentukan routingnya. Jika tidak menerima ACK, router juga mengirimkan paketnya ke router lain hingga ada router lain yang memberi ACK. Jika router langsung dapat berkomunikasi dengan coordinator, router lansung meneruskan paketnya ke coordinator tanpa menunggu ACK untuk mengirim paket-paket selanjutnya karena diangga router yang dapat menjangkau coordinator, paket datanya sudah pasti di terima coordinator meski tanpa ACK dari coordinator. Gambar 4 menunjukkan arah dan aliran data pada .
Gambar 2. Format paket yang keluar dari node
Mikrokontroler
sensor
Xbee
Gambar 4. Skenario kerja perangkat pada node End Device End device merupakan node yang berada paling ujung dalam sistem. Node hanya memiliki satu tugas, yaitu meneruskan paketdata dari pembacaan sensornya ke router. End device sendiri dapat memilih router untuk meneruskan paket datanya ke coordinator. End device mengirimkan paket datanya dengan destination address merupakan node address dari router. Jika diterima oleh router sesuai dengan destination address pada paket, router tersebut akan mengirim ACK kepada end device sebagai konfirmasi data telah diterima, dan
Coordinator Coordinator sebenarnya adalah node penerima. Sehingga coordinator hanya menerima data dari router yang berkomunikasi dengannya yang kemudian meneruskan data tersebut ke komputer. Coordinator adalah seperti jembatan untuk data yang diterimanya dari router untuk masuk ke komputer. Coordinator juga bertugas untuk memberikan ACK pada router sebagai tanda paket telah diterima. Pada Gambar 5 berikut ini akan menunjukkan aliran data pada node coordinator.
3
Komputer
Xbee
node router setiap detiknya node router akan mengeluarkan sepuluh paket per detiknya, lima paket dari pembacaan sensor, dan lima paket dari node lain. Dengan rata-rata panjang paket 36 byte. Pada pengukuran node router dilakukan di lapangan futsal indoor Pertamina ITS. pada pengukuran tersebut node sensor diletakkan seperti pada Gambar 7.
Mikrokontroler Gambar 5. Proses akuisisi data dari node coordinator Skenario Pengukuran Kinerja Sistem Untuk menganalisa kinerja dari sistem sebelumnya dilakukan pengukuran pada kondisi yang merepresentasikan pengimplementasian dari sistem yang dibuat. Wireless sensor network yang dibangun kali ini adalah diaplikasikan untuk memantau kondisi kesehatan jembatan bentang panjang. Pengukuran akan dilakukan pada jembatan Merr II C Surabaya. Pada pengukuran ini akan dilakukan dengan menggunakan satu end device node, dua router node, dan sebuah coordinator node
Gambar 6. Topologi pengukuran Untuk dapat melakukan pengukuran tersebut sebelumnya perlu mengukur coverage area dari modul Xbee Pro Series 1. Untuk mengetahui coverage area dari modul RF dilakukan pengukuran di stadion ITS. Pada pengukuran coverage ini, Xbee Series Dari pengukuran ini diharap akan coordinator node dapat menerima dari tiga node lain (satu end device node, dan dua router node). Data yang diterima oleh coordinator node dapat dijadikan acuan untuk penentuan delay dan throughput dari sistem. Data yang diterima akan secara terekap pada Microsoft Excel, data di Microsoft Excel tersebut akan ditaruh pada kolom-kolom tertentu sesuai dengan katergorinya. Dari data pada kolom tersebut akan dapat dibuat grafik untuk pembacaan tiga axist dari sensor. Mungkin dapat di tampilkan tiga grafik X axist dan waktu, Y axist dan waktu, dan Z axist dan waktu. Dari pengukuran yang dilakukan diharapkan dapat mengetahui nilai dari beberapa parameter ukur delay-end-to-end, troughtput, dan paket loss. III. ANALAISIS DAN PEMBAHASAN Analisa dari sistem dilakukan dari data yang didapat dari pengukuran pada dua node router (router R, dan router P) dan node coordinator. Kondisi ideal dari desain yang dibuat pada
Gambar 7. Penyusunan posisi node di lapangan futsal indoor Pertamina Dengan menghubungkan komputer langsung ke node router R didapat data dari beberapa kali percobaan mendapatkan hasil yang dirangkum pada Tabel 1. Tabel 1 Paket loss node router R Loss Paket dari pembacaan Sensor
Paket di forward
Paket di forward tidak rusak
Percobaan Ke 1
60,83%
95%
96,12%
Percobaan Ke 2
67,89%
92,63%
94,73%
Percobaan Ke 3
59,93%
95,72%
98,57%
60%
97,14%
97,14%
62,16%
95%
97%
Percobaan Ke 4 Rata-rata
Dan rata-rata nilai troughtput 130,4875 Bps. Dengan poporsi dari jenis-jenis paket yang dikeluarkan tergambar pada Gambar 8 a. Data yang didapat dari node router P menunjukkan nilai paket loss seperti pada Tabel 2. Tabel 2 Paket loss node router P
4 Loss Paket dari pembacaan Sensor
Paket di forward
Paket di forward tidak rusak
Percobaan Ke 1
55,71%
95%
97,14%
Percobaan Ke 2
35,00%
72,00%
96,00%
Percobaan Ke 3
60,00%
94,40%
97,14%
Percobaan Ke 4
50%
87,69%
93,84%
Percobaan Ke 5
48%
86,00%
92,00%
49,74%
87,02%
95,23%
Rata-rata
monitoring dari aplikasi arduino akan berhenti dengan sendirinya dengan durasi yang tidak tertentu. Sehingga pengukuran harus dilakukan pengulangan. Seperti pada metode pengumpulan data sebelumnya, data yang terbaca dari serial monitoring di copy-paste secara manual kedalam Microsoft Excel. Rekapitulasi dari data-data tersebut dilakukan di Microsoft Excel tersebut. Penyusunan posisi node dalam pengukuran pada node coordinator dapat dilihat pada Gambar 9.
Dengan nilai troughtput sebesar 197,3975 Bps. Dengan proporsi jenis paket pada Gambar 8 b.
Grafik Pengukuran pada Node Router R 5
Paket / Detik
4 3 2 1 0 Ke 1 Ke 2 Ke 3 Ke 4 Rata-rata Paketing data sensor Paket di forward Paket di forward tidak rusak
(a) Grafik Pengukuran pada Node Router P 7 6
Paket / Detik
5
Gambar 9. Penyusunan posisi node pada pengukuran coordinator Desain dari node coordinator akan menerima 15 paket per detiknya, 15 paket tersebut berasal dari 5 paket dari end device yang di forward oleh router, dan masing-masing 5 paket per detik dari node router. Hasil empat kali pengukuran yang dilakukan mendapatkan rekapitulasi data pada Tabel 3. Tabel 3 Hasil perbandingan data pecobaan dan desain
4
Paket masuk
3
Perancangan (D)
Pecobaan 1 15
Pecobaan 2 15
Pecobaan 3 15
Pecobaan 4 15
2
Percobaan (P)
4,72
5,48
5,79
6,76
1
P/D
0,31467
0,36533
0,386
0,45066
% P/D
31,4667
36,5333
38,6
45,0667
% Loss
68,5333
63,4667
61,4
54,9333
0
Paketing data sensor Paket difirward tidak rusak
Paket difoward
(b) Gambar 8. Porsi paket keluaran (a) node router R (b) node router P Pengujian node coordinator dilakukan di gedung B jurusan teknik elektro ITS. Pengujian dilakukan empat kali percobaan. Percobaan-percobaan tersebut dilakukan dengan durasi yang berbeda-beda. Perbedaan durasi ini dikarenakan window seerial
Pada tebel diatas menunjukkan paket loss dari masingmasing percobaan. Jika dirata-ratakan, paket loss menunjukkan nilai 62,083%. Dan dari empat kali percobaan tersebut mendapatkan masing-masing trougthput 162,7 Bps, 197,6 Bps, 202,67 Bps, dan 243,428 Bps. Jika dirata-ratakan mendapatkan nilai 201,5995 Bps. Pengkuran delay end-to-end dilakukan dengan durasi ± 15 menit. Delay end-to-end dihitung untuk mengetahui berapa lama paket dari end device sampai pada coordinator. Dari 15
5
12 10
Delay (s)
menit tersebut didapat 97 data yang bersasil masuk dari end device dengan delay yang tampilkan pada Gambar 10. Grafik Delay dari 97 Paket di forward
8 6 4 2 0 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 89 93 97
Paket ke i Gambar 10. Grafik delay paket masuk Dari data diatas didapat rata-rata delay sebesar 1,55 detik. IV. KESIMPULAN/RINGKASAN A. Kesimpulan Berdasarkan hasil penelitian untuk mengimplementasikan jaringan ad-hoc pada modul wireless sensor network dan juga data yang di dapat dari hasil pengukuran kinerja sistem yang dibangun dapat disimpulkan : 1. Implementasi jaringan ad-hoc pada modul wireless sensor network dengan menggunakan perangkat RF Xbee Pro Series 1 perlu dimuatkan alamat-alamat node router pada program yang diunggah ke mikrokontroler. Karena pada modul ini hanya hanya memiliki mode komunikasi point-topoint atau point-to-multy point. 2. Paket data dapat di kirimkan dari end device ke node lain menunjukan nilai troughput 1118,042 bps, packet loss 62,16% pada router R, troughput 1263,472 bps, packet loss 49,74% pada router P, dan menunjukkan nilai troughput 1612,796 bps, dan packet loss 62,083% pada coordinator. Dengan nilai delay end-to-end sebesar 1,556701 detik. Dari unjuk kerja tersebut menunjukkan bahwa modul wireless sensor network tersebut masih belum bisa digunakan untuk aplikasi monitoring jembatan bentang panjang. 3. Node router mampu mengeksekusi paket data yang mengandung informasi alamatnya untuk di-forward ke coordinator. 4. Penjadwalan pengiriman paket dari hasil pembacaan sensor akan menyebabkan node memiliki kerja ganda yaitu, mengirim paket data dari sensornya sendiri dan meneruskan paket data dari node lain yang menyebabkan bertambahnya beban komputasi dari mikrokntroler. 5. Kelebihan dari perangkat yang dipilih untuk menyusun modul WSN pada tugas akhir ini adalah mudahnya dilakukan pemrograman ulang dari node sensor apabila ingin melakukan perubahan algoritma pada node-node
sensornya untuk menyesuaikan dengan kondisi obyek yang diamati, dalam hal ini jembatan. Modul RF Xbee Pro Series 1 yang mengkonsumsi daya rendah dapat mereduksi konsumsi daya dari node sensor. 6. Kekurangan dari node sensor yang telah dibuat adalah pada modul RF yang digunakan, karena tidak mampu berkomunikasi secara ad-hoc sendiri yang mengakibatkan komunikasi ad-hoc perlu dikontrol oleh mikrokontroler sehingga menambah beban komputasi dari mikrokontroler. B. Saran Untuk mendesain wireless sensor network yang dapat berkomunikasi menggunakan protokol ad-hoc agar tidak mengunakan modul RF Xbee Pro Series 1. Pilih modul RF lain dari protokol ZigbeeTM yang mampu secara langsung berkomunikasi secara ad-hoc sehingga untuk mode komunikasi antar node tidak lagi menambah beban komputasi dari mikrokontroler. Untuk mendapat performa jaringan tinggi lebih baik baik tidak mendesain node yang meiliki kerja ganda, yaitu unutk forwarder dan melakukan paketing data. Desain node-node agar hanya memiliki satu fungsi forwader saja atau paketing data saja. UCAPAN TERIMA KASIH Moh. Zainal Arifin, terimakasih kepada kedua orang tua penulis, terimakasih kepada segenap dosen pengajar jurusan teknik elektro ITS, khususnya kepada kedua dosen pembimbing yang bersedia membimbing selama pengerjaan tugas akhir ini. Terimakasih kepada JICA selaku sponsor pada penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] G. Straser and A. S. Kiremidjian, “A modular, wireless damage monitoring system for structures,” John A. Blume Earthquake Eng. Center, Dept. Civil Environ. Eng., Stanford Univ., Stanford, CA, Tech. Rep. 128, 1998. [2] A. S. Kiremidjian, E. G. Straser, T. H. Meng, K. Law, and H. Soon, “Structural damage monitoring for civil structures,” in Proc. Int. Workshop Struct. Health Monit., Stanford, CA, 1997, pp. 371–382. [3] Wei Chen, Miguel R. D. Rodrigues and Ian J. Wassell, “A Frechet Mean Approach for Compressive Sensing Date Acquisition and Reconstruction in Wireless Sensor Networks” IEEE Transactions on wireless communications, vol. 11, no. 10, October 2012. [4] Margolis Michael (2012). Arduino Cookbook 2nd Edition. : United State of America : O’Reilly Media Inc. [5] Sohraby Kazem, Minoli Daniel, and Znati Taieb (2007). Wireless Sensor Networks Technology, Protocols, and Applications. Canada : Wiley-Interscience. [6] Bookerche Azzedine (Eds) (2009). Algorithms and Protocols for Wireless and Mobile Ad Hoc Networks. Ottawa : Wiley-Interscience. [7] www.arduino.cc [8] www.digi.com
