Pengembangan Prototipe Sistem Kontrol dan Monitoring Infus Untuk Pasien Berbasis Jaringan Nirkabel (ZigBee)

11th Seminar on Intelligent Technology and Its Applications, SITIA 2010

ISSN 2087-331X

Pengembangan Prototipe Sistem Kontrol dan Monitoring Infus Untuk Pasien Berbasis Jaringan Nirkabel (ZigBee) Fathur Zaini Rachman, Wirawan, Ahmad Zaini Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya 60111 Email: [email protected] Abstrak - Dalam perkembangan komunikasi tanpa kabel (Nirkabel) ada banyak standard atau platform yang dimanfaatkan. Kita mengenal teknologi Bluetooth, Wimax, dll. Masing-masing menawarkan fitur yang berbeda-beda dan memiliki kekurangan yang berbeda pula. Bluetooth misalnya menawarkan fitur pemrosesan data yang besar seperti video streaming dengan kekurangan membutuhkan daya yang besar. Ada satu kebutuhan di level rendah untuk melakukan suatu kontrol pada suatu jaringan dengan syarat konsumsi daya yang rendah. ZigBee yang menerapkan standar IEEE 802.15.4 merupakan solusi kedepan untuk itu. Makalah ini mengaplikasikan sistem kontrol dan monitoring infus dalam bentuk prototipe. Kontrol tetesan infus ditampilakan dalam bentuk lampu indikator LED yang terintegrasi dengan mikrokontroler dan pengindraan tetes infus menggunkan dioda laser dan photodioda, yang memberikan sinyal-sinyal listrik ke komparator, selanjutnya diproses oleh mikrokontroler yang hasilnya dikirim ke server, sehingga dapat memberikan informasi dan memudahkan bagi para paramedis dalam mengetahui kondisi infus melalui GUI (graphical User Interface). Paramedis cukup mengendalikan dan memonitoring keadaan infus pasien pada GUI yang terdiri dari Visual Basic dan SQL Server. Kata Kunci: Komunikasi Nirkebel, ZigBee, Infus, GUI 1. PENDAHULUAN Saat perkembangan teknologi semakin maju, di rumah sakit masih mengandalkan paramedis sebagai pencatat dan pengatur jumlah tetesan infus pada pasien. Sistem monitoring pada jumlah tetesan infus selama ini masih dilakukan secara manual, baik dari segi penggunaannya maupun pencatatannya. Kondisi ini tentu akan membutuhkan waktu yang banyak oleh paramedis untuk memperhatikan secara berkala kondisi infus [1]. Selain itu, kemungkinan terjadi kesalahan yang umumnya pada tingkat administrator sering terjadi. Kesalahan administrator dapat menyebabkan kerugian pada pasien dan meningkatkan biaya kesehatan [2].

Untuk menghindari terjadinya kesalahan tersebut telah dirancang dan dibuat sebuah perangkat yang digunakan untuk mengatur dan memonitor tingkat aliran infus pada pasien. Perangkat ini dapat menjadi pilihan yang menarik dalam memonitoring tingkat aliran infus dengan sumber daya kesehatan (paramedis) yang terbatas, sehingga dapat mengurangi baban dari paramedis [3]. Perangkat tersebut menggunakan mikroprosesor untuk mengontrol ketepatan parameter tingkat infus dan pengindraannya menggunkan sensor optik untuk memberikan sinyal-sinyal listrik dalam perubahan laju alir infus, yang hasilnya dapat memberikan informasi dan memudahkan bagi para paramedis dalam mengetahui kondisi infus pada layar LCD. Akan tetapi, pada perangkat ini masih diperlukan monitoring dan pencatatan oleh paramedis ke tempat pemasangan infus, sehingga masih adanya penangan berkala yang membutuhkan penanganan tenaga paramedis. Atas dasar permasalahan itu, maka penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan sistem kendali dan monitoring tetes infuse melalui jaringan nirkabel yang secara tidak langsung dihubungkan oleh multiple hop melalui beberapa node perantara jika kedua node tidak dapat terhubung atau diluar jangkauannya. Selain itu, protokol rute (routing protocol) sangat diperlukan dalam proses komunikasi jaringan nirkabel antar beberapa node agar dapat mengirim paket data menuju alamat tujuan. 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 ZigBee [4] ZigBee adalah standar yang menetapkan seperangkat protokol komunikasi untuk low-data-rate jaringan nirkabel jarak pendek. Perangkat nirkabel berbasis ZigBee beroperasi pada band frekuensi 868 MHz, 915 MHz dan 2,4 GHz. Data maksimum adalah 250 Kbps. 2.2 Jaringan Nirkabel Jarak Pendek Perbandingan Standar ZigBee dengan Bluetooth dan IEEE 802.11 WLAN ZigBee terlihat pada gambar 1 menunjukkkan karakteristik dasar dari tiga standar tersebut.

11th Seminar on Intelligent Technology and Its Applications, SITIA 2010

Gambar 1. Perbandingan Jaringan Nirkabel Jarak Pendek

IEEE 802.11 adalah keluarga standar IEEE 802.11b, dipilih karena beroperasi di band 2,4 GHz, yang umum berkerja pada Bluetooth dan ZigBee. IEEE 802.11b memiliki data rate tinggi (sampai dengan 11 Mbps), dan menyediakan koneksi Internet nirkabel adalah salah satu aplikasi khasnya. IEEE 802.11b mempunyai jangkauan indoor umumnya antara 30 dan 100 meter. Di sisi lain, Bluetooth memiliki tingkat data yang lebih rendah (kurang dari 3 Mbps) dan jangkauan indoor yang biasanya 20-10 meter. 2.3 Topologi Jaringan ZigBee Pembentukan jaringan diatur oleh lapisan jaringan ZigBee. jaringan berada dalam salah satu dari dua topologi jaringan yang didefinisikan dalam IEEE 802.15.4 yaitu star dan peer-to-peer. 1) Dalam topologi star, disebut juga point-to-point, semua perangkat berada dalam komunikasi langsung ke koordinator, dimana semua pesan diarahkan. Sebuah perangkat mengirim pesan ke koordinator PAN, yang kemudian dibagikan pada perangkat tujuan. ditunjukkan dalam Gambar 2, masing-masing perangkat dalam jaringan dapat berkomunikasi hanya dengan koordinator PAN (Personal Area Network). Sebuah skenario khas dalam formasi jaringan bintang adalah bahwa FFD (Full Function Devices) diprogram untuk koordinator PAN dalam mengaktifkan dan mulai membangun jaringan. Hal pertama adalah koordinator PAN melakukan pemilih sebuah pengenal unik PAN yang tidak digunakan oleh jaringan lain di dalam kawasan radio sphere of influence, di mana di kawasan tersebut perangkat radio dapat berkomunikasi dengan radio lainnya. Dengan kata lain, ini untuk menjamin bahwa pengenal PAN tidak digunakan oleh jaringan terdekat lainnya. 2) Dalam topologi peer-to-peer, seperti terlihat pada gambar 3 disebut juga topologi mesh, terdiri dari router yang saling berhubungan dan perangkat akhir. Setiap router biasanya berhubungan melalui dua jalur, dan dapat relay pesan ke tetangga-tetangganya. Topologi mesh mendukung "multi-hop" komunikasi, melalui

ISSN 2087-331X

data melalui yang melompat dari perangkat satu ke perangkat yang lain dengan menggunakan link komunikasi yang paling dapat diandalkan dan jalan yang paling efektif untuk tujuan tercapai. Dalam jaringan peer-to-peer, semua perangkat yang berpartisipasi dalam menyampaikan pesan adalah FFDs, karena RFDs tidak mampu menyampaikan pesan. Namun, sebuah RFD dapat menjadi bagian dari jaringan dan untuk berkomunikasi hanya dengan satu perangkat tertentu (koordinator atau router). Sebuah jaringan peer-to-peer dapat mengambil bentuk yang berbeda dengan mendefinisikan pembatasan pada perangkat yang dapat berkomunikasi satu sama lain. Jika tidak ada pembatasan, jaringan topologi peer-to-peer yang dikenal sebagai sebuah mesh. Bentuk lain dari dukungan peer-to-peer adalah topologi Tree ZigBee (lihat Gambar 4). Dalam hal ini, koordinator ZigBee (PAN koordinator) bentuk jaringan awal. ZigBee router digunakan untuk membentuk sebuah cabang dan pesan relay. Perangkat akhir ZigBee bertindak seperti perumpamaan daun pohon dan tidak berpartisipasi dalam pesan routing. Router ZigBee dapat menumbuhkan jaringan di luar jaringan awal yang ditetapkan oleh koordinator ZigBee.

Gambar 2. Topologi Star

Gambar 3. Topologi Mesh

Gambar 4. Topologi Tree

11th Seminar on Intelligent Technology and Its Applications, SITIA 2010

Ada tiga jenis transfer data dalam IEEE 802.15.4:  Transfer data ke koordinator dari perangkat  Transfer data dari koordinator ke perangkat  Transfer data antara dua perangkat sesama Ketiga metode yang dapat digunakan dalam topologi peer- to-peer. Dalam topologi star, hanya dua yang pertama kali digunakan, karena tidak ada komunikasi peer-to-peer langsung yang diizinkan.

ISSN 2087-331X

3) Kontrol Pada penelitian ini, hasil kontrol infus berupa indikator LED. Sedangkan pengindraan tetes infuse menggunakan laser dan photodioda, seperti terlihat pada gambar 7. Hasil pengindraan itu diproses oleh mikrokontroler untuk menjadi paket data yang siap dikirim ke server melalui jaringan nirkabel.

3. METODE PENELITIAN Pada tahap ini dilakukan pembuatan prototipe alat yang meliputi perancangan rangkaian untuk tiap-tiap blok dari segi kontrol dan monitoring tetes infus. Adapun metodologi pembuatannya adalah seperti pada gambar 5. 3.1 Bagian Sistem Kontrol dan Monitoring Infus 1) Komputer Pada bagian ini dilakukan pembuatan GUI yang terdiri dari program visual basic yang berfungsi sebagai media interface antar operator dengan komputer dalam melakukan proses monitoring infuse dan program SQL Server yang berfungsi sebagai database dari kondisi pasien. 2) Komunikasi Pada penelitian ini dipilih topologi mesh, karena cocok untuk jaringan yang memiliki node yang banyak dan tersebar di lingkungan yang luas, sehingga memungkinan komunikasi antar node melalui banyak jalur (multihoop) seperti telihat pada gambar 6. Node tersebar dan komunikasi data antar node dikirim bertahap melalui node terdekatnya, yang mana setiap node memiliki identitas masingmasing.

Gambar 7. Tata Letak Bagian Sensor Infus

3.2 Desain Sistem Kontrol dan Monitoring Infus Pada penelitian ini, kinerja dari sistem jaringan nirkabel dibuat untuk kendali dan monitoring tetesan infus pada node-node pada komunikasi jaringan nirkabel, seperti pada gambar 8. Cara kerja atau fungsi dari setiap bagian : 1) Infus: objek dari pengindraan yang berupa tetesan infus 2) Sensor: mengumpulkan data dari pengindraan tetesan infus 3) Mikrokontroler: Memproses data yang didapat dari sensor agar dapat menjadi paket data yang siap dikirim ke server, dan menampilkan indikator LED kontrol. 4) Node Sonsor: Menerima paket data kendali dari server dan mengirim paket data sensor ke server, sesuai dengan ketentuan routing pengiriman dan penerimaan paket data. 5) Gatway: Mengolah penerima paket data dari node dan pengirim paket data ke node. 6) Server: memproses data dari base stations yang hasilnya tampak di GUI. Dan tempat kendali tetes infus pada node-node yang dituju. Semua kinerja dikendalikan oleh operator dalam hal monitoring, kendali dan pemasukkan data pasien.

Gambar 5. Pemodelan sistem Kontrol dan Monitoring

Gambar 6. Pengiriman Paket Data Pada Topologi Mesh yang Memungkinkan melalui node lain

Gambar 8. Blok Sistem Kendali dan Monitoring Infus

11th Seminar on Intelligent Technology and Its Applications, SITIA 2010

3.3 Pengujian Jaringan Gatway diberi IP menggunakan Lantronix Device Installer, yang digunakan untuk manajemen perangkat gateway (MIB600). Software ini dapat digunakan untuk memberikan alamat IP pada gateway, mengatur baud rate gateway, bahkan mengatur port yang ada pada gateway serta mampu melakukan pengaturan hardware baik secara grafis ataupun melalui mode text . Pada desain ini diberikan alamat, contohnya IP 192.168.1.9/24 pada gateway. Setelah itu mote (MPR 2400) diinject dengan software untuk menentukan fungsinya sebagai node atau base station (MIB600+ MPR2400, bentuk fisik seperti yang dapat dilihat pada gambar 9) dan diberi IP address untuk bisa berhubungan dengan gateway dan server. Dalam pengujian ini, beberapa buah mote difungsikan sebagai node dan sebuah mote difungsikan sebagai base station. Caranya yaitu dengan menempelkan mote ke soket yang ada pada gateway yang dihubungkan dengan server lewat konektor ethernet untuk diinjek. Injeksi dilakukan dengan bantuan software Cygwin (Cygnus Linux for Windows), yaitu program aplikasi berbasis Linux yang bekerja dalam Windows. Mote base station ditempelkan pada gateway sedangkan sensor infus ditempelkan pada mote untuk menjadi node. Node kemudian disebarkan dibeberapa node dalam ruangan dan diaktifkan untuk mulai mengumpulkan data sensing. Data sensing kemudian dipancarkan ke mote base station yang diintegrasikan dengan gateway untuk diolah dan dikirim ke server untuk ditampilkan. Disamping itu setiap node merupakan node komunikasi nirkabel dengan protocol tertentu, dengan demikian setiap node sensor dapat dipandang sistem 2 sisi, sisi komputasi dan sisi komunikasi. Pembacaan dan penampilan paket data di server menggunakan program Serial Forwarder . Program ini bertugas meneruskan data sensing ke server melalui ethernet dan harus dijalankan sebelum tools MessageCenter diaktifkan. Untuk pengamatan dan penyimpanan paket data, digunakan dua tools yaitu Visual Basic dan SQL Server sebagai Manajemen tugas sensor, teknik komunikasi data antar sensor dan gateway serta monitoring jaringan dan pengamatan data diatur dengan TinyOS.

Gambar 9. MIB 600 dan MPR 2400

ISSN 2087-331X

Pada gambar 10 merupakan Skenario kondisi bangunan tempat pengujian

N

N

N

N

N

N

S

S N

Base Station Node

Gambar 10. Skenario Kondisi Bangunan Desain GUI untuk tampilan pada operator dapat dilihat pada gambar 11.

Gambar 11. Tampilan GUI pada User

4. HASIL DAN PEMBAHASAN Pengolahan salah satu paket data pada tools Listen yang diterima dari node ID 1 dalam bentuk hexadecimal adalah sebagai berikut :

Struktur data diatas dibagi dalam tiga bagian yaitu : 1. TinyOS Message yang terdiri dari header pembuka paket yang dikirim seperti alamat tujuan pengiriman pesan, terdiri dari 2 byte dengan simbol 7E 00 yang artinya alamat server. Message Type adalah daftar jenis pesan yang dapat diterima oleh gateway dari node, dalam desain ini dipakai multihop dengan simbol 0x11 atau 17 desimal. Bila jenis data yang dikirim ke gateway tidak ada dalam daftar, maka tidak akan diterima dan dihapus. Group ID adalah identitas semua node yang berada dalam Jaringan sensor nirkabel tersebut dengan simbol 0x7D atau 125 desimal. Jika ada intruder diluar jaringan yang mencoba mengakses gateway, tidak akan dilayani. Message Length adalah banyaknya byte dalam pesan dengan simbol 0x32 atau 50 desimal. 2. Multihop Message adalah format pesan yang dikirim memakai protokol multihop dengan

11th Seminar on Intelligent Technology and Its Applications, SITIA 2010

header sebanyak 7 byte untuk : source_addr yaitu alamat gateway dengan ID 0 yang dituju oleh node. Alamat tersebut disimbolkan dengan 2 byte yaitu 00 00 origin_addr adalah header yang mempresentasikan alamat node pengirim paket. Alamat tersebut disimbolkan dengan 2 byte yaitu 10 00 dalam hal ini node ID. seq_no adalah header yang menunjukkan urutan penerusan pengiriman paket yang disimbolkan dengan 0x00 8B sepanjang 2 byte. hop_count menunjukkan berapa hop yang dilakukan untuk sampai di tujuan, dalam contoh ini disimbolkan dengan 00, artinya node ID 1 berhubungan langsung dengan gateway. 3. Data Message (Surge) yang berisi paket data hasil sensing dan terbagi menjadi Message Type yang dipakai untuk sinkronisasi antara node dan gateway untuk identifikasi tipe pesan pada paket. Disimbolkan dengan 00X0 untuk aplikasi Surge. Sensor Reading adalah data sensing yang dalam contoh paket ini disimbolkan dengan 0X0000. Header yang berisi alamat parent tujan pegiriman data adalah Parent_addr sepanjang 2 byte dengan simbol 0X0000, dalam hal ini node ID 1 mengirim data ke node ID 0 yaitu gateway. seq_no adalah header yang menunjukkan urutan penerusan pengiriman paket yang disimbolkan dengan 0X00 00 CE 04 sepanjang 4 byte dan bisa bertambah atau berkurang sesuai dengan kondisi kepadatan traffick. Selanjutnya adalah Data Sensing dengan maksimum data adalah 80 byte karena keterbatasan memori. 4.1 Hasil Perhitungan Monitoring Tetes Infus Semua data disajikan dalam bentuk mean ±SD (standard deviant). Sebagai perbandingan data antara 2 metode untuk memantau laju infus digunakan penedekatan Bland-Altman [5]. Perbandingan dapat dilihat pada table 1. Tabel 1. Perbandingan rata-rata perhitungan antara pada tampilan GUI dan pembacaan manual.

Waktu Pembacaan (menit) Basal 15 30 45 60

Tampilan GUI Mean±SD (drop/min) 74.77±31.61 72.77±28.42 68.16±24.54 65.43±26.55 61.63±23.90

Pembacaan Manual (drop/min) 74.21±31.00 71.49±29.00 67.00±24.70 65.11±26.13 58.94±23.32

Metode Bland Altman menunjukkan bias antara dua metode ini sangat kecil (-0,1963) dan tidak ada perbedaan yang signifikan antara metode-metode diatas pada laju tetes infus 61-74 tetes/menit (tabel 2).

ISSN 2087-331X

Tabel 2. Analisa Bland Altman : Hubungan antara manual monitoring dengan pembacaan pada GUI

Waktu Pembacaan

Bias

SD

Initial 15 Min 30 Min 45 Min 60 Min

0.2727 1.1410 1.0333 0.0446 -0.169

1.928 2.457 3.009 3.538 1.900

95% Cl Lower Upper Limit Limit -3.507 4.053 -3.67 5.958 -4.864 6.931 -6.89 6.98 -3.894 3.5519

4.2 Hasil Analisa penggunaan Arus Node Sensor Pengamatan terhadap penggunaan arus pada setiap node yang dipasang battery 3 Volt dengan arus 24 mA. Hasil pengamatan terlihat pada table 3. Tabel 2. Penggunaan Arus pada Node Lama Node Pengukuran 1 2 3 Arus (mA) Basal 24.4 24.35 24.4 1 jam 23.77 24.2 24.25 5 jam 21.23 22.46 23.58 10 jam 18.07 17.57 21.45 15 jam 14.1 12.46 13.57 20 jam 11.74 9 10.71 30 jam 5.41 7.6 9.41

4 24.5 24.4 23.46 22.58 19.00 17.85 15.57

Kondisi node 1 ini terjadi karena menerima beban lebih berat dari node lain, yaitu mengambil data sensing, menerima data dari node 2 berupa data sensing node 2,3 dan 4 serta mengirimkan ke gateway. Karena data dikirim secara multihop maka node 4 hanya mengambil data sensing dan mengirimkan ke node 3 dan seterusnya secara berurutan. DAFTAR REFERENSI [1] Okstein CJ , “ Patient Tampering with Electronic Intravenous Fluid Regulators. Pediatrics”, 1984; 73 : 250-251. [2] Han PY, Coombes ID, Green B., “ Factors predictive of intravenous fluid administration errors in Australian surgical care wards”, Qual Saf Health Care 2005; 14: 179-184. [3] Prerana Shroff, R.D. Patel, Sona D, Anita Shetty, Darshan D and Vijaya J, “ Accuflow an Infusion Rate Monitor : An Evaluation in Pediatric Patients ” Indian Journal of Prediatrics, Volume 74- Desember, 2007. 2nd Ed. 1995 by J.B. Lippincott Company. [4] Shahin F, “ ZigBee Wireless Network and Transceivers ”, 2008, Elsevier. [5] Altman D.G, Bland J.M , “ Measurement in Medicine: the Analysis of Method Comparison Studies”, The Statistician 32 (1983) 307-317.