RANCANG BANGUN WIRELESS SENSOR NETWORK BERBASIS PROTOKOL ZIGBEE DAN GSM UNTUK SISTEM PEMANTAUAN POLUSI UDARA MUHAMMAD FUAD

RANCANG BANGUN WIRELESS SENSOR NETWORK BERBASIS PROTOKOL ZIGBEE DAN GSM UNTUK SISTEM PEMANTAUAN POLUSI UDARA

MUHAMMAD FUAD

SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2015

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Rancang Bangun Wireless Sensor Network berbasis Protokol ZigBee dan GSM untuk Sistem Pemantauan Polusi Udara adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Maret 2015 Muhammad Fuad NIM G651120281

RINGKASAN MUHAMMAD FUAD. Rancang Bangun Wireless Sensor Network berbasis Protokol ZigBee dan GSM untuk Sistem Pemantauan Polusi Udara. Dibimbing oleh HERU SUKOCO dan HUSIN ALATAS. Polusi udara merupakan salah satu faktor utama yang mempengaruhi kualitas kehidupan manusia di kota-kota besar terutama kota industri. Tingkat pencemaran udara ini biasanya diukur dengan menggunakan peralatan yang ada di laboratorium melalui proses kimiawi. Namun saat ini telah tersedia sensor elektronik yang dapat mengukur kualitas udara secara langsung. Hal ini tentu saja memudahkan dalam menyampaikan informasi tentang kualitas udara pada suatu wilayah sehingga sistem akuisisi data untuk pengukuran tingkat pencemaran udara ini pun menjadi berkembang. Salah satunya dengan mengukur secara real-time menggunakan teknologi wireless sensor network (WSN). WSN merupakan teknologi aplikasi pengambilan data dari suatu perangkat ukur berupa sensor secara nirkabel. Salah satu aplikasinya adalah pada bidang monitoring polusi udara. Penelitian ini mengusulkan pengembangan suatu sistem monitoring polusi udara yang terdistribusi secara nirkabel dengan menggunakan protokol ZigBee dan jaringan GSM. Ada 7 node sensor yang disebar di tempat-tempat dengan tingkat peluang polusi udara cukup besar di lingkungan kampus IPB Dramaga yaitu di pinggir jalan utama kampus. Komunikasi antar node sensor ini menggunakan protokol ZigBee dengan topologi mesh dimana setiap node sensor dapat saling berkomunikasi satu sama lain dalam radius jangkauannya secara nirkabel. Komunikasi data antar node yang menggunakan protokol ZigBee dibentuk oleh tiga mekanisme kerja yang berbeda dari setiap perangkat ZigBee yaitu coordinator, router dan end device. Router dan end device berfungsi sebagai pengambil data pengukuran. Kemudian data yang diukur oleh node sensor ini dikumpulkan pada satu coordinator (sink) yang selanjutnya mengirim data tersebut ke server melalui jaringan komunikasi GSM. Data yang telah didapat dari hasil akuisisi data kemudian diolah dan dianalisis. Analisis ini terdiri dari analisis perhitungan nilai ISPU dan analisis kinerja sistem WSN yaitu throughput, delay dan packet loss. Dari hasil pengukuran, perhitungan dan analisis terlihat sensor telah berhasil mendeteksi polusi untuk pencemar udara gas CO dengan nilai rata-rata 25.1 ppm dan yang lainnya menggunakan sensor dummy. Selain itu sistem mampu memberikan informasi secara real time dengan tingkat kinerja yang baik yaitu throughput lebih dari 1.017 kbps dan delay tidak lebih dari 409 ms serta packet loss kurang dari 5%. Selain hal yang telah disampaikan di atas pengguna dalam hal ini masyarakat luas dapat melihat informasi mengenai kondisi polusi udara dengan mengakses website pada domain server tersebut. Informasi yang ditampilkan pada website tersaji secara real-time sehingga pengguna dapat mengetahui tingkat polusi terkini pada area yang dipasangi sensor. Kata kunci: GSM, polusi udara, protokol ZigBee, WSN

SUMMARY MUHAMMAD FUAD. Design of Wireless Sensor Networks based on ZigBee Protocol and GSM for Air Pollution Monitoring System. Supervised by HERU SUKOCO and HUSIN ALATAS. Air pollution is one of the main factors that are affecting the quality of human life in the big cities, mainly in industrial cities. Air quality is usually measured by using an existing equipment in the laboratory through a chemical process. Currently, the electronic sensors are available now that can measure air quality levels directly. So, it easy to convey information about the air quality in an area. Further, Data acquisition system for measurement of air pollution level are be advantaged. One is a measurement technology using wireless sensor network (WSN) in real time. WSN is a technology data retrieval application of a measuring device such as sensors wirelessly. One application is in the field of an air pollution monitoring system. This study proposes a development of distributed WSN for an air pollution monitoring system using ZigBee protocol and GSM network. There are seven sensor nodes deployed in areas with levels of air pollution sizeable opportunities on IPB Dramaga campus alongside the main road. Communication between the sensor nodes using the ZigBee protocol with a mesh topology where each sensor node can communicate with one another wirelessly within a radius range. Data communication between nodes uses ZigBee protocol and comprises three different mechanisms of action for each device ZigBee i.e. coordinator, routers, and end devices. Routers and end devices act as picker of data measurement. Then the data measured by the sensor nodes is collected at the coordinator (sink) which then send the data to the server via the communication GSM network. The data obtained from the acquisition of data is then processed and analyzed. This analysis consisted of analysis ISPU value calculation and analysis of WSN system performance i.e. throughput, delay and packet loss. From the measurement, calculation and analysis of visible sensors have detected the pollution of air pollutants CO gas with an average value of 25.1 ppm and the other using the dummies sensors. Further, the system has a good performance with more than 1.017 kbps of throughput, no more than 409 ms delay and packet loss ratio less than 5 %. In addition to the above, users such as the general public can view the information about the condition of the air pollution by accessing the website in the server domain. The website displays real-time information so that the user can know the current pollution levels in the area fitted with sensors. Keywords: air pollution, GSM, WSN, ZigBee protocol

© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2015 Hak Cipta Dilindungi Undang-Undang Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan IPB Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB

RANCANG BANGUN WIRELESS SENSOR NETWORK BERBASIS PROTOKOL ZIGBEE DAN GSM UNTUK SISTEM PEMANTAUAN POLUSI UDARA

MUHAMMAD FUAD

Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Komputer pada Program Studi Ilmu Komputer

SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2015

Penguji pada Ujian Tesis : Dr Ir Sri Wahjuni, MT

Judul Tesis : Rancang Bangun Wireless Sensor Network berbasis Protokol ZigBee dan GSM untuk Sistem Pemantauan Polusi Udara Nama : Muhammad Fuad NIM : G651120281

Disetujui oleh Komisi Pembimbing

DrEng Heru Sukoco, SSi MT Ketua

Dr Husin Alatas, SSi MSi Anggota

Diketahui oleh

Ketua Program Studi Ilmu Komputer

Dekan Sekolah Pascasarjana

DrEng Wisnu Ananta Kusuma, ST MT

Dr Ir Dahrul Syah, MScAgr

Tanggal Ujian: 29 Januari 2015

Tanggal Lulus:

PRAKATA

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Februari 2014 ini ialah wireless sensor network, dengan judul Rancang Bangun Wireless Sensor Network berbasis Protokol ZigBee dan GSM untuk Sistem Pemantauan Polusi Udara. Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak DrEng Heru Sukoco, SSi MT dan Bapak Dr Husin Alatas, SSi MSi selaku pembimbing, Ibu Dr Ir Sri Wahjuni, MT yang telah banyak memberi saran serta Bapak Dr Mamat Rahmat, SSi MSi yang telah banyak membantu dan memberi saran. Di samping itu, penghargaan penulis sampaikan kepada teman-teman Lab NCC dan MKom14, yang telah membantu selama pengumpulan data. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu, serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.

Bogor, Maret 2015 Muhammad Fuad

DAFTAR ISI

DAFTAR TABEL

xi

DAFTAR GAMBAR

xi

DAFTAR LAMPIRAN

xii

1 PENDAHULUAN Latar Belakang Tujuan Penelitian Manfaat Penelitian Ruang Lingkup Penelitian 2 TINJAUAN PUSTAKA Indeks Standar Pencemar Udara (ISPU) Protokol ZigBee Wireless Mesh Network GSM/GPRS Sensor Quality of Service (QoS) 3 METODE PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Komponen Instrumentasi Penelitian Tahapan Pelaksanaan Penelitian Perancangan prototype node sensor Perancangan prototype node sink Perancangan software antarmuka berbasis web Perancangan arsitektur WSN Implemetasi sistem 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Prototype sistem Prototype node sensor Prototype node sink Software antarmuka berbasis web Arsitektur WSN Analisis Sistem Pengujian sistem 5 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Saran

1 1 2 2 2 3 3 4 6 6 7 7 10 10 10 10 12 13 13 13 14 15 15 15 17 19 20 21 27 29 29 29

DAFTAR PUSTAKA

29

LAMPIRAN

31

RIWAYAT HIDUP

36

DAFTAR TABEL 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Batas ISPU dalam satuan SI (Bapedal 1998) Kategori kualitas udara (Bapedal 1998) Perbandingan standar wireless Susunan pin rangkaian prototype node sensor Konfigurasi xbee prototype node sensor Struktur tabel database Menu pada website Jarak unit node sensor Variasi nilai throughput router Variasi nilai delay router PLR router Variasi nilai throughput end device Variasi nilai delay end device PLR end device

3 4 5 15 16 19 20 22 23 24 25 26 27 27

DAFTAR GAMBAR 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 10 11 13 15 16 17 18 19 20

ZigBee protocol stack (Taehong et al. 2007) Topologi jaringan mesh Sensor dummy Lokasi sensor Tahapan penelitian Arsitektur sistem Desain topologi Skema rangkaian prototype node sensor Koneksi xbee ke komputer Prototype node sink Konfigurasi mesh yang terbentuk Unit node sensor Unit coordinator IEEE 802.15.4 Struktur Paket (Howitt dan Jose 2003) Grafik throughput router Grafik delay router Grafik throughput end device Grafik delay end device Langkah menjalankan aplikasi web dengan public domain Tampilan menu Real-time Monitoring

5 6 7 10 11 12 14 15 16 17 20 22 22 22 24 25 26 27 28 28

DAFTAR LAMPIRAN 1 2 3 4 5

Screenshoot menu utama Screenshoot data polusi secara real-time Screenshoot tampilan menu Datalog Monitoring Screenshoot tampilan menu kontak Screenshoot tampilan menu Login

31 32 33 34 35

1

1 PENDAHULUAN Latar Belakang Polusi udara merupakan salah satu faktor utama yang mempengaruhi kualitas kehidupan manusia di kota-kota besar terutama kota industri, dimana polusi merupakan salah satu penyebab yang mempengaruhi kesehatan manusia dan keseimbangan ekologi (Roy et al. 2009; Kasar et al. 2013; Murthy et al. 2013). Berdasarkan laporan dari organisasi kesehatan dunia (World Health Organisation, WHO), polusi udara adalah salah satu faktor signifikan yang banyak mempengaruhi kondisi kesehatan manusia seperti infeksi pada kulit dan mata, iritasi pada hidung, saluran pernafasan dan mata. Disamping itu juga menyebabkan kondisi serius pada gangguan hati dan jantung, kanker paru-paru, pneumonia, bronchitis, gangguan pernafasan dan asma (Lanjewar dan Shah 2012). Penyumbang terbesar gas pencemar udara adalah asap kendaraan bermotor dan industri. Menurut Murthy et al. (2013) dan Devarakonda et al. (2013) ada beberapa macam gas yang dapat menyebabkan pencemaran udara diantaranya partikel debu, Sulfur dioksida (SO2), Karbon monoksida (CO), Karbon dioksida (CO2), Nitrogen dioksida (NO2), dan Ozon Permukaan (O3). Di Indonesia ada lima parameter utama yang menjadi standar gas-gas penyebab pencemaran udara yaitu CO, SO2, NO2, Ozon permukaan (O3) dan partikel debu (PM-10). Kelima parameter ini dituangkan sebagai Indeks Standar Pencemar Udara yang selanjutnya disebut ISPU (Bapedal 1998). Selanjutnya informasi tentang kualitas udara ini disampaikan kepada masyarakat dalam bentuk grafik warna ISPU. Kualitas udara biasanya diukur dengan menggunakan peralatan yang ada di laboratorium melalui proses kimiawi. Namun saat ini telah tersedia sensor elektronik yang dapat mengukur kualitas udara secara langsung. Hal ini tentu saja memudahkan dalam menyampaikan informasi tentang kualitas udara pada suatu wilayah sehingga sistem akuisisi data untuk pengukuran ISPU ini pun menjadi berkembang. Salah satunya dengan mengukur secara real-time menggunakan teknologi wireless. Sistem akuisisi data untuk pengukuran ISPU menggunakan sensor elektronik telah dikembangkan dengan mengukur secara real time dan terus menerus (Rinaldi 2011). Kemudian dikembangkan lagi dengan wireless sensor network dan dapat diakses melalui media internet (Aziz 2012). Sistem ini memanfaatkan protokol ZigBee sebagai media pengiriman data dari modul sensor ke server. Protokol ZigBee ini mempunyai kinerja yang cukup baik untuk digunakan sebagai media pengiriman data dari modul sensor ke server (Bianchi 2000). Protokol ZigBee ini mempunyai beberapa keunggulan seperti konsumsi daya yang rendah (low power), mudah dikoneksikan dengan mikrokontroler dan membutuhkan memori yang tidak besar bergantung kerumitan peralatan (http://www.ZigBee.org). Pengukuran polusi udara menggunakan sensor elektronik ini akan semakin berkembang dengan menambah jumlah sensor untuk mencakup area yang lebih luas. Untuk itu dibutuhkan sistem komunikasi yang dapat mengirimkan data ke pusat server secara wireless yaitu dengan memanfaatkan sistem komunikasi GSM yang banyak tersedia. Pengembangan menggunakan komunikasi GSM ini pada

2 wireless sensor network (WSN) perlu dilakukan untuk menjangkau area pengamatan yang lebih besar. Pengembangan ini merupakan sistem WSN yang terdistribusi.

Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah membangun suatu sistem monitoring polusi udara yang terdistribusi secara nirkabel dengan memanfaatkan protokol ZigBee dan jaringan GSM.

Manfaat Penelitian Dengan adanya sistem ini diharapkan dapat digunakan untuk menginformasikan mengenai kualitas udara secara real time pada masyarakat luas melalui media internet sehingga masyarakat dapat melakukan antisipasi dini terhadap efek buruknya pada kesehatan. Selain itu, sistem ini dapat membantu pemerintah dalam mengambil kebijakan mengenai kesehatan lingkungan.

Ruang Lingkup Penelitian Penelitian ini mencakup pembuatan sistem WSN terdistribusi untuk pemantauan partikulat pencemar udara dan pembuatan antarmuka berbasis web.

3

2 TINJAUAN PUSTAKA Indeks Standar Pencemar Udara (ISPU) Indeks Standar Pencemar Udara (ISPU) adalah angka yang tidak mempunyai satuan yang menggambarkan kondisi kualitas udara ambien di lokasi dan waktu tertentu yang didasarkan kepada dampak terhadap kesehatan manusia, nilai estetika dan mahluk hidup lainnya (Bapedal 1998). ISPU ditetapkan berdasarkan 5 pencemar utama yaitu Partikulat Material (PM-10), Karbon Monoksida (CO), Sulfur Dioksida (SO2), Nitrogen Dioksida (NO2) dan Ozon (O3) (Bapedal 1998). Penjelasan tentang kategori kualitas udara dapat dilihat pada Tabel 2. Secara perhitungan nilai ISPU dapat dicari menggunakan Rumus 1 (Bapedal 1998) dengan merujuk pada Tabel 1.

X

X

(X

X )

Dimana : I = ISPU terhitung Ia = ISPU batas atas Ib = ISPU batas bawah Xa = ambien batas atas Xb = ambien batas bawah Xx = kadar ambien nyata hasil pengukuran Tabel 1 Batas ISPU dalam satuan SI (Bapedal 1998) 24 jam PM10 24 SO2 8 jam CO 1 jam O3 ISPU

1 jam NO2

µg/m3

µg/m3

mg/m3

µg/m3

µg/m3

50

50

80

5

120

-

100

150

365

10

235

-

200

350

800

17

400

1130

300

420

1600

34

800

2260

400

500

2100

46

1000

3000

500

600

2620

57.5

1200

3750

4 Tabel 2 Kategori kualitas udara (Bapedal 1998) Kategori Rentang Warna Penjelasan Tingkat kualitas udara yang tidak memberikan efek bagi Baik 0 - 50 kesehatan manusia atau hewan dan tidak berpengaruh pada tumbuhan, bangunan ataupun nilai estetika Tingkat kualitas udara yang tidak berpengaruh pada Sedang 51 - 100 kesehatan manusia ataupun hewan tetapi berpengaruh pada tumbuhan yang sensitif dan nilai estetika Tingkat kualitas udara yang bersifat merugikan pada manusia ataupun kelompok Tidak Sehat 101 - 199 hewan yanng sensitif atau bisa menimbulkan kerusakan pada tumbuhan ataupun nilai estetika Tingkat kualitas udara yang Sangat Tidak Sehat 200 - 299 dapat merugikan kesehatan pada sejumlah segmen populasi yang terpapar Tingkat kualitas udara berbahaya yang secara Berbahaya 300 - 500 umum dapat merugikan kesehatan yang serius pada populasi

Protokol ZigBee Protokol ZigBee merupakan protokol yang banyak digunakan untuk otomatisasi dan aplikasi tanpa kabel (wireless). Protokol ZigBee ini mempunyai beberapa keunggulan seperti konsumsi daya yang rendah (low power), mudah dikoneksikan dengan mikrokontroler dan membutuhkan memori yang tidak besar bergantung kerumitan peralatan (http://www.ZigBee.org). Protokol ZigBee ini mempunyai kinerja yang cukup baik untuk digunakan sebagai media pengiriman data dari modul sensor ke server (Bianchi 2000). ZigBee diharapkan dapat memperkecil biaya dan menjadi konektivitas berdaya rendah untuk peralatan yang memerlukan baterai untuk hidup selama beberapa bulan sampai beberapa tahun, tetapi tidak memerlukan kecepatan transfer data tinggi seperti Bluetooth. Selain itu, ZigBee dapat diimplementasikan dalam jaringan mesh yang lebih luas daripada yang mungkin dijangkau dengan Bluetooth. Perangkat nirkabel ZigBee diharapkan dapat digunakan untuk mengirimkan data sejauh 1-75 meter, tergantung pada lingkungan RF dan output

5 konsumsi daya yang diperlukan untuk diberikan aplikasi. Tabel 3 menunjukkan perbandingan kemampuan antara beberapa perangkat komunikasi wireless (Safaric & Malaric 2006). Standard Aplikasi

Tabel 3 Perbandingan standar wireless ZigBee Bluetooth Wi-Fi 802.15.4 802.15.1.4 802.11b Monitoring Pengganti Web, video, dan kontrol kabel email 4kb - 32kb 250kb+ 1Mb+ 100 - 1000+ 1-7 0,1 - 5

Resource Daya tahan baterai (hari) Node per 256/65 k+ jaringan Bandwith 20 - 250 (kbps) Jangkauan 1 - 75+ (m) Kelebihan Handal, hemat daya, murah

GSM/GPRS WAN, voice/data 16Mb+ 1-7

7

30

1000

720

11000+

64 - 128

1 - 10+

1 - 100

1000+

Murah

Fleksibilitas, kecepatan

Jangkauan, kualitas

IEEE dan Aliansi ZigBee telah bekerja sama untuk menentukan protocol stack keseluruhan. IEEE 802.15.4 berfokus pada spesifikasi dari dua lapisan bawah protokol (lapisan fisik dan lapisan MAC). Di sisi lain, ZigBee Alliance bertujuan memberikan lapisan atas dari stack protokol (dari lapisan jaringan ke lapisan aplikasi) untuk jaringan data yang interoperable, menyediakan tes dukungan interoperabilitas, pemasaran teknik, dan standar terkini untuk evolusi standar. Hal ini akan menjamin konsumen yang membeli produk dari produsen berbeda yakin bahwa produk akan dapat bekerja bersama (Ergen 2004). Ilustrasi ZigBee protocol stack dapat dilihat pada Gambar 1.

Gambar 1 ZigBee protocol stack (Taehong et al. 2007) Fitur protokol ZigBee antara lain: 1. Dukungan untuk beberapa topologi jaringan seperti point-to-point, point-tomultipoint dan jaringan mesh. 2. Siklus rendah - menyediakan baterai yang tahan lama.

6 3. 4. 5. 6. 7.

Latency rendah. Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Dapat menangani 65000 node per jaringan. Enkripsi 128-bit AES untuk koneksi data yang aman. Menghindari collision, retries dan acknowledgement (Digi 2011).

Wireless Mesh Network Menurut Roy et al. (2009) wireless mesh network adalah salah satu tipe jaringan dimana setiap node pada jaringan dapat berkomunikasi dengan banyak node lainnya. Suatu jaringan mesh mempunyai dua jenis node yaitu mesh routers dan mesh clients. Mesh clients dapat disetting untuk berkomunikasi dengan banyak router/client atau diatur dalam hirarki dimana setiap client mempunyai single router sebagai parent. Kelebihan utama dari tipe jaringan ini selain kemampuan self-forming dan self-healing adalah multi-hop routing. Multi-hop routing disini berarti data dari sebuah node wireless dapat meloncat melalui node lain sebelum informasinya disampaikan ke remote host gateway ataupun server yang mengumpulkan data untuk melakukan proses selanjutnya. Topologi jaringan mesh dapat dilihat pada Gambar 2.

Gambar 2 Topologi jaringan mesh GSM/GPRS GPRS merupakan bagian dari sistem komunikasi GSM. GPRS (general packet radio service) adalah layanan media data berbasis paket untuk layanan komunikasi nirkabel yang dikirimkan sebagai overlay jaringan untuk GSM, CDMA dan TDMA (ANSII36). GPRS menerapkan prinsip paket radio untuk mentransfer paket data pengguna dengan cara yang efisien antara mobile station GSM dan jaringan paket data eksternal. Packet switching adalah dimana data dibagi menjadi paket-paket yang dikirimkan secara terpisah dan kemudian dipasang kembali di sisi penerima. GPRS mendukung protokol terkemuka di dunia berbasis paket komunikasi internet, protokol Internet (IP) dan X.25, sebuah protokol yang digunakan terutama di Eropa. GPRS memungkinkan setiap IP atau aplikasi X.25 yang sudah ada untuk beroperasi melalui koneksi seluler GSM.

7 Jaringan selular dengan kemampuan GPRS adalah ekstensi nirkabel dari jaringan Internet dan X.25. (Usha Communications Technology 2000). GPRS memberikan hampir seketika koneksi set-up dan koneksi terus menerus ke internet. Pengguna GPRS akan dapat log on ke sebuah APN (Access Point Name) dan memiliki akses ke banyak layanan atau jaringan kantor (tanpa perlu dial-up) dan tetap terus menerus tersambung sampai mereka log off, hanya membayar ketika data sebenarnya ditransmisikan. Sebuah fisik koneksi end-toend tidak diperlukan karena sumber daya jaringan dan bandwidth hanya digunakan ketika data sebenarnya ditransfer. Hal ini membuat penggunaan bandwidth radio yang tersedia menjadi sangat efisien.

Sensor Pada penelitian ini digunakan sensor dummy dikarenakan banyak sensor yang harus dipakai sementara sensor polusi yang tersedia belum mencukupi. Untuk itu agar data yang terukur mempunyai nilai yang sama dengan pengukuran menggunakan sensor polusi maka sensor dummy yang digunakan adalah sensor cahaya yang nilai pengukurannya dapat bervariasi sesuai dengan intensitas cahaya matahari. Sistem kerja sensor dummy tersebut yaitu banyaknya cahaya yang jatuh pada LDR akan mengurangi nilai tahanan dan menyebabkan berubahnya nilai tegangan jatuh pada output data. Hal ini akan membangkitkan nilai data yang bervariasi sesuai banyaknya intensitas cahaya di suatu tempat tertentu. Rangkaian sensor dummy dapat dilihat pada Gambar 3. Rth Vcc Data LDR

Gambar 3 Sensor dummy Quality of Service (QoS) QoS merupakan sekumpulan parameter yang menunjukkan kualitas layanan suatu jaringan dan kemampuan jaringan tersebut dalam menjalankan aplikasi-aplikasi dengan kinerja sesuai dengan yang dibutuhkan. Dengan mengetahui QoS kita dapat mengetahui kondisi jaringan dan menyesuaikan jaringan dengan aplikasi yang akan digunakan. Beberapa parameter QoS antara lain :  Throughput Menunjukkan besarnya paket data yang diterima pada node tujuan dibandingkan dengan waktu tempuh yang ditulis dalam satuan bit per second (bps)(Misra et al. 2009).

8 al a 

Delay Merupakan selang waktu antara mulai dikirimkannya paket data sampai paket diterima di node tujuan (Szigeti dan Hattingh 2004).

a 

Packet Loss Ratio (PLR) Yaitu banyaknya data yang hilang pada suatu proses pengiriman data ke node tujuan (Hanzo dan Tafazolli 2007). a

a

a

al a

Algoritma Ad Hoc On-Demand Distance Vector Pada sistem wsn jaringan mesh algoritma yang digunakan adalah algoritma Ad Hoc On-Demand Distance Vector (AODV). AODV merupakan suatu algoritma protokol routing yang memungkinkan routing multi-hop yang dinamik dan bekerja sendiri diantara node-node yang ingin tetap mempertahankan jaringan wireless ad hoc. Protokol ini merupakan salah satu jenis dari protokol routing distance vector. Router pada protokol routing distance vector hanya menginformasikan perubahan topologi pada router-router tetangganya sehingga kompleksitas perhitungannya relatif kecil.

Gambar 4 Node sumber melakukan broadcast paket permintaan rute (Misra S et al. 2009) Pada AODV jaringan hanya akan melakukan aktifitas ketika koneksi dibutuhkan sehingga mengurangi jumlah pesan yang dikirimkan untuk menghemat kapasitas jaringan. Ketika suatu node membutuhkan koneksi untuk mengirimkan paket, node tersebut akan melakukan proses broadcast yang mengirimkan permintaan rute ke seluruh node tetangganya. Node tetangga kemudian melakukan proses broadcast lagi ke node tetangganya, proses ini terus

9 berulang hingga permintaan rute tersebut diterima oleh node yang sudah memiliki rute ke node tujuan. Ilustrasinya dapat dilihat pada Gambar 4. Setelah itu setiap node yang meneruskan permintaan tersebut akan membentuk suatu rute tebalik ke node awal. Setelah node awal menerima rute-rute tersebut maka node tersebut akan memilih rute yang memiliki jumlah hop paling sedikit. Ilustrasi jalur balik ini dapat dilihat pada Gambar 5.

Gambar 5 Node tujuan mengirimkan paket rute balasan melalui jalur terbalik (Misra S et al. 2009)

10

3 METODE PENELITIAN Tempat dan Waktu Penelitian Penelitian dilaksanakan di laboratorium Net Centric Computing (NCC) Ilmu Komputer dan lokasi jalan di lingkungan kampus Institut Pertanian Bogor dari bulan Februari 2014 sampai dengan bulan September 2014. Gambar 6 memperlihatkan lokasi pemasangan sensor.

Gambar 6 Lokasi sensor Komponen Instrumentasi Penelitian Perangkat Keras (Hardware) Dummy sensor berupa LDR, sensor gas CO (MQ-7), modul XBee series 2, mikrokontroler DFRobot Leonardo dengan XBee socket, ethernet shield, wifi router, modem gsm, catu daya dan seperangkat komputer sebagai server. Perangkat Lunak (Software) Software yang digunakan pada penelitian ini antara lain : Windows 7 operating systems, Arduino IDE, X-CTU, Hyperterminal, PHP, MySQL, Apache server. Sementara bahasa pemrograman yang digunakan pada penelitian ini antara lain : C++, PHP, HTML dan Javascript.

Tahapan Pelaksanaan Penelitian Tahap pelaksanaan penelitian terdiri dari enam bagian utama yaitu perancangan prototype sistem, perancangan arsitektur WSN, implementasi sistem, akuisisi data, analisis sistem WSN dan pengujian sistem (lihat Gambar 7).

11

Perancangan Prototype Sistem

Perancangan Arsitektur WSN

Implementasi Sistem

Akuisisi Data

Analisis Sistem

Pengujian Sistem Gambar 7 Tahapan penelitian Perancangan prototype sistem Perancangan ini terdiri dari perancangan prototype node sensor dan prototype node coordinator/sink. Prototype node sensor merupakan unit yang bertindak sebagai pengambil data pengukuran dimana terdiri dari sensor dan xbee. Pada penelitian ini dibuat sebanyak 7 node yang masing-masing terdiri dari empat sensor. Sensor berfungsi mengambil nilai pengukuran analog yang selanjutnya dikirim ke xbee. Sedangkan xbee berfungsi sebagai pengubah nilai ukur analog dari sensor menjadi nilai digital kemudian dikirim ke node sink secara wireless dengan protokol ZigBee. Prototype sistem dalam penelitian ini didefinisikan sebagai seperangkat hardware terintegrasi yang dapat melakukan akuisisi data yaitu mengambil data fisis dari sensor berupa perubahan parameter ispu sesuai dengan penempatan sensor, kemudian ditransmisikan secara nirkabel (wireless) ke bagian pengumpul (sink) selanjutnya dikirim ke server via komunikasi GSM. Data hasil akuisisi ditampilkan dalam bentuk aplikasi web. Gambar 8 memperlihatkan arsitektur sistem yang terdiri atas: node sensor, node sink dan server.

12

Sensor PM10 Sensor CO

Xbee

Xbee

Mikrokontroler

Sensor CO2 Sensor O3

Internet Modem GSM

Ethernet

Gambar 8 Arsitektur sistem Perancangan prototype node sensor Prototype node sensor merupakan unit yang bertindak sebagai pengambil data pengukuran dimana terdiri dari sensor dan xbee. Pada penelitian ini dibuat sebanyak 7 node yang masing-masing terdiri dari empat sensor. Berikut adalah tahapan pembuatan prototype node sensor. Perancangan hardware Bagian ini terdiri dari sensor dan xbee, dimana sensor terdiri dari empat macam sensor yaitu sensor PM10, sensor SO2, sensor NO2 dan sensor CO. Masing-masing sensor digantikan dengan sensor dummy yaitu LDR dan trimpot deng n nil i resist nsi kΩ, 5 kΩ d n kΩ kecuali sensor CO. Sensor berfungsi mengambil nilai pengukuran analog yang selanjutnya dikirim ke xbee. Sedangkan xbee berfungsi sebagai pengubah nilai ukur analog dari sensor menjadi nilai digital kemudian dikirim ke node sink secara wireless dengan protokol ZigBee. Perancangan software Agar xbee dapat digunakan maka perlu dikakukan pemograman terlebih dahulu. Pemograman dapat dilakukan dengan software hyperterminal seperti putty (Faludi 2011) atau dengan software khusus yang disediakan oleh produsen xbee transceiver (Maxstream/Digi) yaitu X-CTU (DI 2009). Pemograman dilakukan dengan menggunakan modul adapter untuk menghubungkan xbee ke komputer. Xbee transceiver mempunyai dua macam mode operasi yaitu mode Transparent (AT) dan mode packet (API). Untuk node sensor dengan fungsi end device maka mode operasinya dibuat End Device dan AT, sedangkan node sensor yang berfungsi sebagai router mode operasinya dibuat router dan AT. Pada penelitian ini ada 3 node sensor yang berfungsi sebagai end device dan 4 node sensor yang berfungsi sebagai router.

13 Perancangan prototype node sink Node sink merupakan bagian yang berperan sangat penting karena mempunyai banyak fungsi yaitu sebagai coordinator dari sistem wireless yang mengatur komunikasi antara router dan end device, serta berfungsi mengirimkan data hasil pengukuran node sensor ke server. Berikut ini adalah tahapan perancangan prototype node sink, Perancangan hardware Hardware yang digunakan antara lain adalah mikrokontroler arduino Leonardo dengan socket xbee, ethernet shield, router dan modem GSM. Xbee dipasang pada slot yang ada di mikrokontroler arduino Leonardo. Selanjutnya ethernet shield disatukan dengan Leonardo, kemudian router dihubungkan ke ethernet shield via kabel RJ45 dan modem dipasang pada slot router. Perancangan software Agar modul arduino Leonardo dapat digunakan maka harus dilakukan pemograman terlebih dahulu. Pemograman ini menggunakan software IDE (Integrated Development Environment) arduino yang merupakan software khusus yang dibuat untuk semua varian mikrokontroler arduino. Software IDE arduino ini memudahkan programmer untuk memprogram karena sudah dilengkapi dengan library yang siap pakai (Marolis 2011). Selain arduino Leonardo perangkat yang harus diprogram berikutnya adalah xbee, yaitu dengan memprogramnya sebagai coordinator. Pemograman ini dilakukan menggunakan sotware X-CTU. Perancangan software antarmuka berbasis web Untuk dapat menampilkan informasi secara mudah bagi pengguna maka perlu di bangun aplikasi antarmuka yang berbasis web. Pada penelitian ini kami menggunakan framework yii dengan database MySQl. Infromasi ISPU ditampilkan dalam bentuk angka dan grafik.

Perancangan arsitektur WSN Ada beberapa tipe topologi jaringan yang dapat diterapkan menggunakan protokol ZigBee diantaranya Star, Mesh dan Cluster Tree. Pada penelitian ini kami menggunakan topologi mesh.

14

Gambar 9 Desain topologi Selanjutnya diukur jarak antar sensor di lokasi dengan menyesuaikan batas kemampuan terjauh yang dapat dicapai perangkat xbee untuk saling berkomunikasi. Node sensor yang digunakan berjumlah tujuh node seperti terlihat pada Gambar 9. Node sensor terdiri dari empat sensor polusi udara yaitu satu sensor gas CO (MQ-7) dan tiga lainnya berupa sensor dummy.

Implementasi sistem Selanjutnya setelah semua prototype siap digunakan maka tahap selanjutnya adalah implementasi sistem. Sebelum dicoba di lokasi kampus, sistem ini dicobakan dulu di lab NCC untuk melihat transaksi komunikasi yang terjadi. Kemudian setelah itu baru dilakukan implementasi di lokasi sesuai dengan pemetaan yang telah dilakukan.

Akuisisi Data Pengambilan data dilakukan selama 4 hari mulai pukul 8.00 WIB sampai dengan pukul 17.00 WIB di lokasi pinggir jalan utama lingkungan kampus IPB Dramaga. Jumlah data yang diambil sebanyak 300 data.

Analisis Sistem WSN Data yang telah didapat dari hasil akuisisi data kemudian diolah dan di analisis. Analisis ini terdiri dari analisis perhitungan nilai ISPU dan analisis kinerja sistem WSN yaitu throughput, delay dan packet loss.

Pengujian Sistem Setelah semua bagian sistem selesai dibuat tahap akhir adalah pengujian sistem. Pengujian ini dilakukan dengan menjalankan semua bagian secara keseluruhan dengan mengamati perubahan data yang ada di web.

15

4 HASIL DAN PEMBAHASAN Tahapan pelaksanaan penelitian yang telah disebutkan sebelumnya akan di bahas pada bagian ini. Ada enam bagian utama yaitu perancangan prototype sistem, perancangan arsitektur WSN, implementasi sistem, akuisisi data, analisis sistem WSN dan pengujian sistem.

Prototype sistem Prototype node sensor Prototype node sensor terbagi menjadi dua bagian yaitu hardware dan software. Hardware Seperti telah disebutkan sebelumnya, bagian ini terdiri dari sensor dan xbee, dimana sensor terdiri dari empat macam sensor yaitu sensor PM10, sensor SO2, sensor NO2 dan sensor CO. Masing-masing sensor digantikan dengan sensor dummy yaitu LDR dan trimpot dengan nilai resistansi kΩ , 5 kΩ d n kΩ. Gambar 10 menunjukkan skema rangkaian dari prototype node sensor ini.

Gambar 10 Skema rangkaian prototype node sensor Tabel 4 menunjukkan susunan pin yang digunakan pada rangkaian dengan sensor dummy. Tabel 4 Susunan pin rangkaian prototype node sensor Nama Pin 3.3 V GND AD0 AD1 AD2 AD3

Keterangan Sebagai pin Vcc Sebagai pin ground Sebagai pin data sensor 1 Sebagai pin data sensor 2 Sebagai pin data sensor 3 Sebagai pin data sensor 4

16 Software Agar xbee dapat digunakan maka perlu dilakukan pemograman terlebih dahulu. Pemograman ini dilakukan dengan software X-CTU dengan cara menghubungkan xbee ke komputer menggunakan modul adapter. Gambar 11 menunjukkan koneksi xbee ke komputer untuk diprogram.

Gambar 11 Koneksi xbee ke komputer Setelah xbee terhubung dengan komputer maka buka program X-CTU untuk memprogram xbee tersebut. Pada tampilan awal X-CTU setting baud rate pada 9600 bps dan pilih port yang terhubung dengan xbee pada bagian Select Com Port yang lain biarkan dalam kondisi default. Kemudian pilih menu Modem Configuration yang berguna untuk mengkonfigurasi xbee. Selanjutnya klik submenu Read untuk membaca konfigurasi xbee saat ini. Kemudian centang kotak Always Update Firmware dan pilih ZIGBEE ROUTER AT pada kotak Function Set. Terakhir klik tombol Write dan xbee akan diprogram dengan fungsi sebagai router. Langkah pemograman ini dapat dilihat pada gambar 10. Setelah selesai memprogram fungsi xbee klik lagi tombol Read untuk membaca konfigurasi default router tersebut. Selanjutnya lakukan konfigurasi seperti Tabel 5 dan setelah itu klik tombol write. Tabel 5 Konfigurasi xbee prototype node sensor Item ID - PAN ID JV - Channel Verification

Nilai 111 1

DH – Destination Address High DL - Destination Address Low BD - Baud Rate D0 - AD0/DIO0 Configuration D1 - AD0/DIO0 Configuration D2 - AD0/DIO0 Configuration D3 - AD0/DIO0 Configuration IR – IO Sampling Rate

0 0 9600 2 2 2 2 1388

Keterangan Alamat jaringan Berfungsi untuk bergabung pada jaringan Alamat coordinator MSB Alamat coordinator LSB Baud rate operasional Analog input 1 Analog input 2 Analog input 3 Analog input 4 Periode pengambilan data (setiap 5 detik)

Setelah pemograman selesai cek hasil konfigurasi dengan menekan tombol read. Jika telah sesuai maka xbee siap untuk digunakan. Selanjutnya pasang xbee

17 pada rangkaian prototype node sensor. Karena ada tujuh buah node sensor maka lakukan hal yang sama seperti di atas untuk ke tujuh node sensor tersebut. Sebagai alternatif untuk konfigurasi yang lebih spesifik sesuai kebutuhan bisa dilakukan pemograman xbee dengan fungsi sebagai end device. Prototype node sink Node sink merupakan bagian yang berperan sangat penting karena mempunyai banyak fungsi yaitu sebagai coordinator dari sistem wireless yang mengatur komunikasi antara router dan end device, serta berfungsi mengirimkan data hasil pengukuran node sensor ke server. Hardware Xbee dipasang pada slot yang ada di mikrokontroler arduino Leonardo. Selanjutnya ethernet shield disatukan dengan Leonardo, kemudian router dihubungkan ke ethernet shield via kabel RJ45 dan modem dipasang pada slot router. Gambar 12 menunjukkan cara penysusnan prototype node sink

Gambar 12 Prototype node sink Software Pemograman arduino menggunakan software IDE (Integrated Development Environment) arduino dengan cara menghubungkan mikrokontroler arduino Leonardo ke komputer. Setelah mikrokontroler terhubung dengan komputer maka buka program sketch arduino. Pilih Tools pada menu kemudian pilih Board dan centang board Leonardo. Pilih Serial Port dimana arduino Leonardo terpasang untuk memastikan arduino telah terhubung dengan komputer. Kemudian lakukan pemograman sesuai dengan listing program yang telah dibuat. Program lengkapnya bisa dilihat pada lampiran. Pada pemograman mikrokontroler untuk node sink ini secara garis besar terdiri dari tiga bagian yaitu deklarasi (fungsi, variabel dan library), inisialisasi dan main program (program yang akan dijalankan). Berikut listing programnya masing-masing bagian, // bagian deklarasi #include <Ethernet.h>

18 byte mac[] = { 0xDE, 0xAD, 0xBE, 0xEF, 0xFE, 0xED }; char server[] = "www.ncc.ipb.ac.id"; IPAddress ip(192,168,0,177); EthernetClient client; Bagian ini mendeklarasikan penggunaan program lain yang mendukung program ini yaitu pada library dengan script : #include. Library yang digunakan berfungsi untuk mengoperasikan ethernet shield. Selanjutnya script: char server[] merupakan script yang menunjukkan alamat server yang akan dituju. Selain itu juga dideklarasikan mac address dari Ethernet shield dan IP address dari node sink ini sebagai cadangan jika IP address yang diberikan modem GSM gagal. Kemudian script: EthernetClient client; merupakan deklarasi bahwa node sink ini berfungsi sebagai client. //bagian inisialisasi void setup() { // Open serial communications and wait for port to open: Serial.begin(9600); Serial1.begin(9600); Ethernet.begin(mac, ip); delay(10000); connectToServer(); Bagian ini merupakan inisialisasi dari perangkat yang digunakan untuk mulai bekerja. Pada script: Serial.begin komunikasi port serial mikrokontroler diminta untuk dibuka, dan script: Serial1.begin merupakan komunikasi port serial xbee yang diminta untuk dibuka. Selanjutnya script: Ethernet.begin(mac,ip); merupakan perintah untuk Ethernet agar mulai bekerja. Sebelum pekerjaan utama dijalankan diberikan waktu bagi semua perangkat yang ada untuk mencapai kondisi stabilnya dalam hal ini sebanyak 10 detik yaitu pada script: delay(10000);. Selanjutnya mulai dipanggil fungsi untuk menghubungkan node sink ke server dengan script: connectToServer(); //bagian main program void loop() { Serial.print(c); client.stop(); connectToServer(); void connectToServer() { String kirim = "GET /insert.php?";

19 if (address == 402) { cetak += "node=1"; } Bagian main program terdiri dari fungsi berulang yaitu script: void loop() script: void loop() yang berguna untuk membuat program berjalan terus menerus. Disini ada script yang berguna untuk mencetak pada layar monitor mengenai respon dari server yaitu script: Serial.print(c); Selain itu ada script yang berfungsi untuk memutuskan hubungan dengan server setelah pengiriman data berhasil dilakukan yaitu script: client.stop();. Bagian yang paling utama adalah script: connectToServer yang merupakan fungsi untuk melakukan hubungan dan mengirimkan data ke server. Dalam fungsi ini ada script yang bertugas untuk mengenali alamat dari prototype node sensor yang mengirim data salah satunya script: if (address == 402) { cetak += "node=1"; }. Address 402 merupakan penjumlahan empat digit heksadesimal MSB dan LSB dari setiap alamat yang ada pada perangkat xbee. Selain itu ada script yang berfungsi untuk mengirim data ke server yaitu script: String kirim = "GET /insert.php?"; insert.php merupakan file yang ada pada server berguna untuk menyimpan data yang dikirim ke database server. Software antarmuka berbasis web Sebelum membuat aplikasi web yang dinamis maka langkah yang dilakukan adalah membuat database dari aplikasi tersebut. Pada tahap ini kami membuat database menggunakan software MySql. Mula-mula dibuat database dengan nama ispu. Selanjutnya dibuat tabel-tabel yang akan menyimpan data pengukuran dari node sensor. Ada 8 tabel yang di buat pada aplikasi ini yaitu node1, node2, node3, node4, node5, node6, node7 dan tbl_data. Semua tabel ini mempunyai struktur yang sama dapat dilihat pada Tabel 6. Tabel 6 Struktur tabel database Nama Field Id Node Waktu sensor1 sensor2 sensor3 sensor4

Tipe Data int(4) archar(20) timestamp int(255) int(255) int(255) int(255)

Setelah tabel pada database selesai dibuat maka langkah selanjutnya adalah membuat Software antarmuka berbasis web dengan menggunakan bahasa pemograman php dan framework yii. Menu yang ditampilkan terdiri dari Beranda, Real-time Monitoring, Datalog Monitoring, Kontak dan Login (lihat Lampiran 1). Penjelasan mengenai fungsi dan isi menu ini dapat dilihat pada Tabel 7.

20 Tabel 7 Menu pada website Menu Beranda Real-time Monitoring Datalog Monitoring Kontak Login

Keterangan Berisi ucapan selamat datang dan penjelasan singkat mengenai website Menampilkan data pengukuran parameter polusi secara real-time dalam bentuk tabel dan grafik Menampilkan semua data pengukuran parameter polusi Berfungsi bagi user untuk berkomunikasi dengan admin secara email Berfungsi untuk admin dalam mengolah data

Pada menu Real-time Monitoring data ditampilkan pada tabel dengan periode 10 detik. Data yang ditampilkan ini adalah data yang terakhir masuk ke database dari node sink di lokasi pengukuran (lihat Lampiran 2). Pada menu Datalog Monitoring data ditampilkan dalam bentuk tabel. Data pada menu ini merupakan keseluruhan data yang ada di database server (lihat Lampiran 3). Untuk keperluan yang berhubungan dengan sistem monitoring pada website ini user dapat menghubungi admin melalui email. Hal ini disediakan pada menu Kontak dimana user dapat menanyakan sesuatu dengan mengisi identitasnya dan pertanyaan atau komentar pada kolom yang disediakan (lihat Lampiran 4). Menu yang terakhir adalah Login. Menu ini berfungsi bagi admin untuk mengolah data yang masuk ke database server (lihat Lampiran 5).

Arsitektur WSN Konfigurasi jaringan mesh yang terbentuk disini seperti terlihat pada Gambar 13. Konfigurasi ini diketahui dengan cara mengamati packet data yang sampai pada coordinator dan melakukan failure pada router 1 dan router 2. Failure dilakukan dengan mematikan sesaat router 1 pada saat sedang sistem berjalan dan mengamati packet data yang sampai pada coordinator. Terlihat bahwa packet data dari router 1, node 5, router 4 dan node 7 loss. Kemudian hal yang sama dilakukan pada router 2 dimana dari hasil pengamatan terlihat packet data dari router 2, node 6 dan router 3 loss.

Gambar 13 Konfigurasi mesh yang terbentuk

21 Implementasi Sistem Selanjutnya setelah semua prototype siap digunakan maka tahap selanjutnya adalah implementasi sistem. Sebelum dicoba di lokasi kampus, sistem ini dicobakan dulu di lab NCC untuk melihat transaksi komunikasi yang terjadi. Kemudian setelah itu baru dilakukan implementasi di lokasi sesuai dengan pemetaan yang telah dilakukan. Node sensor dipasang di pinggir jalan utama kampus dimana tingkat lalu lintas kendaraan paling tinggi. Hal ini dimaksudkan agar hasil pengukuran tingkat polusi udara dapat maksimal dan signifikan, serta menunjukkan seberapa besar polusi yang terjadi di lingkungan kampus IPB Dramaga, terutama yang bersumber dari asap kendaraan bermotor dan debu yang ditimbulkannya saat melintasi jalan.

Akuisisi Data Akuisisi data dilakukan selama 4 hari dengan rentang antara pukul 09.00 WIB pagi sampai dengan pukul 17.00 WIB sore. Masing-masing perangkat ZigBee direcord dengan jumlah data recording lebih kurang 300 data. Setiap perangkat ZigBee akan mengirim data pada tiap detik menuju coordinator. Data hasil pengukuran direkam pada komputer yang bertindak sebagai server yang dikoneksikan langsung ke coordinator via kabel USB. Data yang dihasilkan berupa file text yang kemudian diolah dengan program Excel dan gnuplot. Data ini hasil dari 3 sensor dummy dan 1 sensor gas CO (MQ-7). Skenario yang dilakukan pada proses akuisisi data ini yaitu memasang setiap node sensor pada tempat yang telah ditentukan kemudian mencatat waktu kirim data pada node yang akan di ukur menggunakan komputer dan mencatat waktu tiba data pada coordinator menggunakan komputer juga. Untuk mengurangi kesalahan pembacaan selisih waktu kami mengggunakan dua buah komputer dengan merk dan spesifikasi yang sama. Program untuk merekam waktu pengiriman data ini menggunakan aplikasi Docklight dengan resolusi waktu miliseconds.

Analisis Sistem Ada delapan node yang dapat kita lihat pada Gambar 6. Node-node ini terdiri dari 1 node coordinator, 4 node router dan 3 node end device. Coordinator berfungsi sebagai pembentuk jaringan yang mengatur komunikasi sistem dan juga bertindak sebagai pengumpul data. Sedangkan router dan end device bertindak sebagai unit node sensor yang berfungsi mengambil data pengukuran. Jarak antar node berkisar 100m sampai dengan 120m, hal ini sesuai dengan spesifikasi jangkauan terjauh perangkat transmitter. Jarak unit node sensor ke Coordinator dapat dilihat pada Tabel 8. Setiap unit node sensor terdiri dari arduino Leonardo, Xbee Series 2, sensor polusi udara dan baterai alkaline 9V seperti terlihat pada Gambar 14. Sedangkan coordinator terdiri dari USB adapter, USB cable dan Xbee Series 2 (lihat Gambar 15).

22 Tabel 8 Jarak unit node sensor Node 1

Node 2

Node 3

Node 4

Fungsi

Router

Router

Router

Router

Jarak dari Coordinator

120m

100m

120m

210m

Node 5 End device

Node 6 Node 7 End End device device

230m

220m

320m

Gambar 14 Unit node sensor

Gambar 15 Unit coordinator

Preamble 4 bytes

PHY protocol data unit (PPDU) Start of packet Length Field PHY layer payload delimiter PHY service data unit (PSDU) 1 byte 1 byte 2 – 127 bytes

Gambar 16 IEEE 802.15.4 Struktur Paket (Howitt dan Jose 2003) Setiap paket data yang dikirim besarnya mengacu pada struktur paket IEEE 802.15.4 (lihat Gambar 16). Berikut cara perhitungan besar paket data yang dikirim pada sistem ini, Cara perhitungan paket data Format paket data: Nodex : PM10 = xx, SO2 = xx, NO2 = xx, CO = xx Contoh: Node2 : PM10 = 23, SO2 = 42, NO2 = 31, CO = 28 jumlah karakter = 46 1 karakter = 1 byte Jadi setiap 1 data ada 46 bytes

23 maka: 1 paket data = preamble + start of delimiter + length field + PSDU (data) = 4 bytes + 1 byte + 1 byte + 46 bytes = 52 bytes = 52 bytes x 8 bits = 416 bits Jadi untuk setiap paket data yang dikirim adalah sebesar 52 bytes atau 416 bits. Dari data hasil pengukuran kami mengamati perilaku yang terjadi pada router dan end device saat bekerja mengirimkan data ke coordinator. Ada tiga parameter yang dapat menunjukkan kinerja ZigBee dalam jaringan mesh yaitu throughput, delay dan packet loss. Dengan menggunakan Rumus 2, 3, dan 4 akan dihitung nilai-nilai kinerja sistem tersebut dan masing-masing parameter akan kita bahas pada section ini. Router Data perhitungan nilai delay, throughput dan packet loss dapat dilihat pada Tabel 9. Ada 4 node yang bertindak sebagai router yaitu node 1 sebagai router 1, node 2 sebagai router 2, node 3 sebagai router 3 dan node 4 sebagai router 4. Masing-masing router akan mengambil data dan meneruskan paket data dari node dibawahnya. Router 1 akan mengambil data dan meneruskan data dari node 5 dan router 4. Router 2 akan mengambil data dan meneruskan paket data dari node 6 dan router 3. Router 3 dalam hal ini hanya bertindak sebagai pengambil data saja. Sedangkan router 4 akan mengambil data dan meneruskan data dari Node 7. Dari grafik pada Gambar 17 dapat kita lihat bahwa nilai throughput router 2 mempunyai nilai yang paling tinggi kemudian berikutnya secara berturut-turut diikuti router 1, router 3 dan router 4. Hal ini karena router 2 mempunyai hop yang lebih sedikit dan melayani hanya dua perangkat di bawahnya yaitu end device 2 dan router 3 sedangkan router 1 juga memiliki satu hop tapi melayani lebih banyak perangkat dibawahnya yaitu end device 1, router 4 dan end device 3. Selanjutnya dapat kita lihat nilai throughput router 1 dan router 2 lebih tinggi dari nilai throughput router 3 dan router 4, hal ini karena kedua router tersebut mempunyai hop yang lebih sedikit yaitu satu hop, sedangkan router 3 dan router 4 mempunyai 2 hop. End device 3 mempunyai nilai throughput yang terendah karena mempunyai hop paling banyak yaitu 3 hop untuk mencapai coordinator. Variasi nilai throughput dari router pada sistem ini dapat kita lihat pada Tabel 9. Tabel 9 Variasi nilai throughput router Router 1 2 3 4

Throughput (kbps) Minimum Maksimum 5.859 8.157 6.029 11.556 2.552 3.152 1.588 2.337

24

Gambar 17 Grafik throughput router Delay yang terjadi pada sistem ini dapat kita lihat pada Gambar 18. Nilai delay yang tertinggi terjadi pada router 4, kemudian diikuti secara berturut-turut oleh router 3, router 1 dan router 2. Delay ini terjadi karena adanya waktu yang diperlukan selama proses pengiriman data menuju ke coordinator. Dari keempat router tersebut router 3 dan router 4 mempunyai hop yang sama yaitu 2 hop sedangkan router 1 dan router 2 mempunyai yang sama juga yaitu 2 hop. Dengan semakin banyak jumlah hop maka waktu yang diperlukan untuk mencapai coordinator akan menjadi lebih lama. Maka dari itu nilai delay router 4 paling tinggi diantara router yang lain karena mempunyai hop paling banyak yaitu 2 hop dan mempunyai kesibukan lebih tinggi dari router 3 karena mempunyai satu perangkat dibawahnya yaitu end device 2. Demikian pula dengan router 1 nilai delaynya lebih tinggi dari router 2 meskipun mempunyai jumlah hop yang sama karena router 1 ini melayani lebih banyak perangkat dibawahnya yaitu end device 1, router 4 dan end device 3 sedangkan router 2 hanya melayani end device 2 dan router 3. Variasi nilai delay router pada sistem ini dapat dilihat pada Tabel 10. Tabel 10 Variasi nilai delay router Router 1 2 3 4

Delay (ms) Minimum Maksimum 51 71 36 69 132 163 178 262

25

Gambar 18 Grafik delay router Tabel 11 PLR router Router 1 2 3 4

Sent-packet 300 300 300 300

Arrived-packet 300 296 292 287

Total-packet 300 300 300 300

PLR (%) 0 1.33 2.67 4.33

Untuk router 1 tidak ada paket data yang hilang selama proses pengiriman data. Pada router 2 ada sebanyak 4 paket data yang hilang yaitu pada detik ke 170, 171, 293 dan 300. Kemudian pada router 3 ada sebanyak 8 paket data yang hilang yaitu pada detik ke 6, 82, 89, 90, 92, 218, 231 dan 248. Sedangkan pada router 4 ada sebanyak 13 paket data yang hilang yaitu pada detik ke 62, 66, 93, 94, 161, 196, 198, 209, 217, 235, 240, 243 dan 251. Paket data yang hilang ini tejadi karena adanya antrian pada coordinator sehingga saat paket data baru tiba dengan antrian yang sudah penuh maka paket data tersebut akan terbuang, dimana terlihat adanya lonjakan delay yang terjadi pada saat tersebut. Dari nilai delay diatas dapat kita hitung nilai PLR yang terjadi pada router kemudian hasil perhitungannya di rangkum pada Tabel 11. Berikut cara perhitungan nilai PLR pada sistem ini dengan menggunakan Rumus 4, Cara perhitungan nilai PLR contoh : router 2 sent packet = 300 arrived packet = 296 total packet = 300 a

a al a

a

26

End Device Pada bagian ini kita akan melihat throughput, delay dan packet loss yang terjadi pada end device. Ada 3 node yang bertindak sebagai end device yaitu node 5 sebagai end device 1, node 6 sebagai end device 2 dan node 7 sebagai end device 3. End device 1 dan end device 2 mempunyai 2 hop sedangkan end device 3 mempunyai tiga hop untuk mencapai coordinator. Fungsi end device adalah mengambil data pengukuran dari sensor, kemudian data tersebut dikirimkan ke coordinator via router.

Gambar 19 Grafik throughput end device Gambar 19 menunjukkan grafik perubahan nilai throughput end device. Nilai throughput end device 1 dan end device 2 nilainya hampir sama karena mempunyai jumlah hop yang sama. Sedangkan nilai throughput yang paling rendah ada pada end device 3 jika dibandingkan dengan throughput end device 1 dan end device 2, hal ini disebabkan end device 3 ini mempunyai hop yang lebih banyak daripada kedua end device yang lain. Variasi nilai throughput end device dapat dilihat pada Tabel 12. Tabel 12 Variasi nilai throughput end device End Device 1 2 3

Throughput (kbps) Minimum Maksimum 1.651 2.405 1.017 2.433 1.612 1.770

Delay pada end device terjadi pada rentang antara 130 milisecond sampai dengan 260 milisecond. Grafik nilai delay ini dapat dilihat pada Gambar 20. Delay yang tertinggi terjadi pada end device 3 karena mempunyai hop yang lebih

27 banyak daripada end device 1 dan end device 2. Variasi nilai delay yang terjadi end device ini dapat dilihat dalam Tabel 13. Delay pada end device 1 dan end device 2 cenderung sama karena mempunyai hop yang sama yaitu 2 hop. Tabel 13 Variasi nilai delay end device End Device 1 2 3

Delay (ms) Minimum Maksimum 173 252 171 409 235 258

Gambar 20 Grafik delay end device Packet loss pada end device terjadi hanya pada end device 2 yaitu sebanyak 15 paket. Dari grafik pada Gambar 20 terlihat adanya variasi lonjakan delay, inilah yang mencirikan adanya paket data yang hilang. PLR pada end device ini dapat dilihat pada Tabel 14. Tabel 14 PLR end device End Device 1 2 3

Sent packet 300 300 300

Arrived packet 300 285 300

Total packet 300 300 300

PLR (%) 0 5 0

Pengujian sistem Setelah semua bagian sistem selesai dibuat maka tahap akhir adalah melakukan pengujian sistem. Sistem diuji secara keseluruhan dengan menjalankan sistem secara utuh dan mengamati hasilnya pada browser. Buka browser yang biasa kita gunakan, dalam hal ini kami menggunakan Mozilla Firefox lalu ketikkan url : http://ncc.ipb.ac.id/~ispu (lihat Gambar 21).

28

Gambar 21 Langkah menjalankan aplikasi web dengan public domain Secara default halaman awal dari website akan menampilkan menu Beranda (lihat Gambar 22). Untuk melakukan monitoring maka pilih menu Real-time Monitoring. Menu ini akan menampilkan peta lokasi sensor, tabel dan grafik nilai parameter ispu.

Gambar 22 Tampilan menu Real-time Monitoring Tunggu beberapa saat maka akan terlihat bahwa nilai pada tabel akan berubah dan grafik akan berubah pula. Perubahan ini menunjukkan bahwa adanya data yang masuk ke database server dari node sensor yang terpasang di lokasi.

29

5 SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Sistem telah berhasil dirancang dan diimplementasikan dengan mampu menampilkan informasi polusi udara secara real-time. Dimana sensor telah berhasil mendeteksi polusi untuk pencemar udara gas CO dengan nilai rata-rata 25.1 ppm dan yang lainnya menggunakan sensor dummy. Selain itu sistem mampu memberikan informasi secara real-time dengan tingkat kinerja yang baik yaitu throughput lebih dari 1.017 kbps dan delay tidak lebih dari 409 ms serta packet loss kurang dari 5%. Saran Sensor dummy bisa digantikan dengan sensor polusi yang sebenarnya. Sementara itu protokol yang diterapkan pada sistem WSN ini dapat diganti protokol lain seperti wifi dan wimax. Di samping itu arsitektur WSN dapat juga diperluas dengan skala yang lebih besar seperti wide area network (WAN) untuk pengukuran polusi tingkat kota atau propinsi.

DAFTAR PUSTAKA Aziz M, Alatas H, Seminar KB. 2012. Rancang bangun sistem akuisisi data berbasis wireless sensor network (WSN) dan internet access untuk pengukuran indesk standar pencemar udara (ISPU) [tesis]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Bianchi G. 2000. Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function. IEEE Journal On Selected Areas In Communications. 18(3). [Bapedal] Badan Pengendalian Dampak Lingkungan. 1998. Pedoman teknis perhitungan dan pelaporan serta informasi indeks pencemar udara (ISPU). Devarakonda S, Sevusu P, Liu H, Liu R, Iftode L, Nath B. 2013. Real-time air quality monitoring through mobile sensing in metropolitan areas. Digi. 2011. ZigBee® Wireless Standard. http://www.digi.com/technology/ rfarticles/ wireless-ZigBee [26 Des 2011]. Ergen SC. 2004. ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary. Berkeley (BK): UC Berkeley. Faludi R. 2011. Building Wireless Sensor Network. United State of Amerika US : O’R illy Medi , nc. Hanzo, L., & Tafazolli, R. 2007. A survey of QoS routing solutions for mobile ad hoc networks. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 9(2 2nd), 50-70. Howitt I, Jose G, 2003. IEEE.802.15.4 Low rate – wireless personal area network coexistence issues. IEEE 1(03):1481-1486.

30 Kasar AR, Khemnar DS, Tembhurnikar NP. 2013. WSN based air pollution monitoring system. International Journal of Science and Engineering Application. 2(4):55-93. Lanjewar UM, Shah JJ. 2012. Air pollution monitoring & tracking system using mobile sensors and analysis of data using data mining. International Journal of Advanced Computer Research. 2(6):19-23. Misra S, Woungang I, Chandra M.S. 2009. Guide to wireless ad hoc networks.Toronto:Ryerson University. Murthy YN, Sukanya V, Saritha C. 2013. Design and development of ZigBee based wireless sensor network for monitoring air pollutants. International Journal of Scientific & Engineering Research. 4(3):1-5. Rinaldi F. 2011. Development of photonic crystal based sensor interface for real time and continous measurement [skripsi]. Bogor (ID): Institut Pertanian Bogor. Roy S, D Anurag, Bandyopadhyay S. 2009. Testbed implementation of pollution monitoring system using wireless sensor network for the protection of public spaces. International Journal of Business Data and Networking. 5(4):1-8. Safaric S, Malaric K. 2006. ZigBee wireless standard. Zagreb: Faculty of electrical Engineering and Computing, University of Zagreb. Shumpert, J. D. 2001. Modeling of periodic dielectric structures (electromagnetic crystals) [disertasi]. Amerika Serikat (US): The University of Michigan. Szigeti T, Hattingh C. 2004. End to end QoS network design : Quality of service in LAN’s WAN’s nd VPN. ndi n polis: Cisco Press. Taehong K, Daeyoung K, Noseong P. 2007. Shortcut tree routing in ZigBee networks. Wireless Pervasive Computing. 2:42-47. Taufiqurrahman, Hariadi M. 2010. Rekonstruksi Permukaan Tiga Dimensi Area Point Clouds Dengan Algoritma Triangulasi Delaunay [tesis]. Surabaya (ID): Institut Teknologi Surabaya. Usha Communications Technology. 2000. GPRS. 1(1):2

31 Lampiran 1 Screenshoot menu utama

32 Lampiran 2 Screenshoot data polusi secara real-time

33 Lampiran 3 Screenshoot tampilan menu Datalog Monitoring

34 Lampiran 4 Screenshoot tampilan menu kontak

35 Lampiran 5 Screenshoot tampilan menu Login

36

RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Palembang, Provinsi Sumatera Selatan pada tanggal 18 Januari 1976 sebagai anak kedua dari enam bersaudara oleh Bapak Ismail Hasan (Alm) dan Ibu Ertati Hamzah. Menyelesaikan Pendidikan Sekolah Menengah Atas Negeri 1 (SMAN) Tugumulyo Musi Rawas Sumatera Selatan pada tahun 1994. Kemudian menempuh pendidikan diploma III di Politeknik Universitas Sriwijaya Palembang, dengan Program Studi Teknik Elektronika lulus tahun 1997. Setelah lulus penulis bekerja sebagai staff di PT Wana Harapan Pratama Musi Banyuasin mulai tahun 1997 hingga tahun 2002. Dari tahun 2002 hingga saat ini penulis bekerja sebagai Teknisi di Jurusan Fisika FMIPA Universitas Sriwijaya. Pada tahun 2008 Penulis menyelesaikan studi tingkat sarjana di Fakultas Teknik Elektro Universitas Sriwijaya. Selanjutnya tahun 2012 penulis diterima di Program Studi Magister Ilmu Komputer, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Penulis dapat dihubungi melalui email [email protected].