Real Time Visualization System untuk monitoring posisi node pada jaringan sensor nirkabel berbasis komunikasi zigbee Anggarica Mudji Pratama1, Taufiqurrahman2, Prima Kristalina1 Jurusan Teknik Telekomunikasi1 Jurusan Teknik Elektronika2 1 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya 60111 e-mail :
[email protected],
[email protected],
[email protected]
Abstrak - Jarak antar sensor di peroleh berdasarkan kuat sinyal dari masing – masing sensor tersebut. Dari data jarak antar sensor dapat dilakukan estimasi posisi sensor – sensor tersebut. Kendala yang dihadapi dalam pengukuran jarak adalah kondisi lingkungan sekitar seperti noise, pantulan dan redaman yang menyebabkan ketidak akuratan pada hasil pengukuran jarak antar sensor. Tujuan dari proyek akhir ini adalah membuat sistem untuk pencarian posisi suatu node dengan memanfaatkan kekuatan sinyal radio (RF) dari minimal 3 node yang telah diketahui posisinya. Node-node yang belum diketahui posisinya berada dalam area medan RF pengukuran yang telah diketahui posisinya dengan perhitungan secara matematis menggunakan metode trilaterasi. Hasil pengukuran jarak tersebut dikirim dan disimpan ke node anchor, kemudian dikirim ke PC. PC akan menampilkannya dalam tampilan 2 dimensi. Dari pengujian sistem secara keseluruhan dengan penempatan node secara random dapat diketahui posisi node dengan kesalahan tertinggi 5.07 meter di laboratorium komunikasi digital PENS dengan kondisi banyak fourniture (Pantulan). . Kata kunci : 2 Dimensi, Jaringan Sensor Network, Trilaterasi, XBee
2.
TEORI PENUNJANG
Jaringan Sensor Nirkabel menjadi sebuah pilihan untuk mengimplementasikan sistem komunikasi dengan obyek yang bergerak, dimana posisi keberadaan obyek tersebut berada diwilayah tertentu. Pemakaian teknologi JSN didasarkan pada efisiensi peralatan dengan lingkup area yang tidak terlalu besar. Didalam aplikasi JSN ini, akurasi posisi dari sensorsensor yang tersebar menjadi fokus utama, selain paket data hasil sensing yang dikirim kefusion center. 2.1 Trilateral Trilaterasi adalah proses mencari koordinat sebuah titik berdasarkan jarak titik tersebut ke minimal 3 buah koordinat yang sudah diketahui. Sebuah lingkaran mempunyai persamaan
(1)
1.
PENDAHULUAN Jaringan Sensor Nirkabel ini terdiri dari dua komponen utama yaitu sensor (node master) dan node slave (Administrator). Dimana sensor (node master) dalam jaringan ini berjumlah cukup banyak dan berfungsi untuk mengobservasi dan memonitor lingkungan sekitar, yang kemudian akan mengirimkan feedback ke node slave (Admistrator) berupa data informasi hasil monitoring. Sedangkan node Slave merupakan node yang berfungsi untuk menerima dan mengolah data informasi keadaan lingkungan dari node-node lain. Pada umumnya node slave dapat terhubung ke PC (untuk berkomunikasi dengan jaringan sensor), tetapi node slave bisa juga terhubung ke gateway menuju jaringan yang lebih besar, Real time Visualization Monitoring System yang dibuat merupakan system yang dapat digunakan untuk memonitor masing-masing node sensor dalam sebuah area secara real time. Perpindahan sensor-sensor lokasi terbaru dari sensor-sensor tersebut dapat segera diketahui oleh pusat / sentral. Posisi sensor dapat diestimasi oleh sentral berdasarkan informasi kuat sinyal yang dikirim oleh nodenode master dan diterima oleh node slave.
Gambar 1 Tiga buah lingkaran jangkar Dengan diketahui 3 lingkaran jangkar diatas diperoleh 2 persamaan
(2)
Dari persamaan di atas maka dapat dihitung x dan y. Misalkan ingin di ketahui Koordinat titik B, dan koordinat dari titik P1,P2 dan P3 sudah diketahui dengan mengukur r1 (jarak antara B dengan P1), maka koordinat B pasti terletak pada keliling lingkaran dengan jari-jari r1.
1
Gambar 3 RF Modules Xbee Pro
Gambar 2 Pencarian posisi sebuah titik Lalu dengan mengukur r2 (jarak antara B dengan P2), maka koordinat titik pasti terletak di A atau B, yang merupakan perpotongan antara kedua lingkaran. Ketika diukur jarak r3 (jarak antara B dengan P3), kita sudah mendapatkan sebuah titik B, yang merupakan perpotongan antara ketiga buah lingkaran. Untuk mendapatkan koordinat node yang dicari pertama kali yang harus dilakukan adalah menyubstitusikan persamaan (2) antara r1 dan r2 , maka diperoleh persamaan (3) (3)
2.3 Spesifikasi Spesifikasi dari RF Modules ini adalah: Kinerja • Didalam ruangan :hingga 133ft (40m) • Diluar :hingga 400ft (120 m) • RF data rate :hingga 250.000 bps • Sensitifitas penerima :-97 dBm (1% PER) 2.4 Command Mode Untuk mengubah atau membaca parameter modul, modul harus terlebih dahulu masuk ke dalam Command Mode, keadaan dimana karakter yang masuk diinterpretasikan sebagai perintah. AT Commands yang tersedia untuk pemrograman modul. Terdapat dua perintah pilihan pada command mode yaitu AT Command dan API Command Mode. 3.
Kemudian substitusikan persamaan (3) antara r2 dan r3 , maka diperoleh persamaan (4). (4)
PERANCANGAN SISTEM
Berikut ini ilustrasi dari sistem yang akan dibuat adalah sebagai berikut.
Setelah didapat persamaan (5) dan (6), kemudian substitusikan persamaan (5) dan (6) untuk mendapatkan persamaan (7) dibawah ini.
(5) Nilai Y yang didapat dari persamaan (7) adalah koordinat titik y node yang dicari. Setelah mendapatkan koordinat titik y, selanjutnya adalah mendapatkan koordinat titik x node yang dicari dengan memasukkan nilai Y ke persamaan (5) atau persamaan (6). 2.2
Gambar 4 Konfigurasi sistem
Keterangan: : Mengirim karakter “a” : Menerima data RSSI :Satu pasang Node Anchor : Usb Serial : Penggeseran Node anchor
RF (Radio Frequency) MODULE
RF Modules type 802.15.4 dengan merk Zigbee Xbee adalah alat yang mempunyai kemampuan pengiriman data tanpa kabel. Dimana alamat modul dapat disetting, membutuhkan daya rendah dalam membangun sensor jaringan, harganya murah dan modul ini handal dalam pengiriman antar perangkat. Modul ini beroperasi pada Frekuensi 2,4 GHz dan pin-pinnya dapat dipergunakan untuk kebutuhan lainnya.
3.1 PERANCANGAN PERANGAKAT LUNAK Setelah tahap perancangan perangkat keras selesai, maka selanjutnya adalah tahap perancangan perangkat lunak. Untuk proses pengerjaan tahap ini terbagi menjadi beberapa langkah yaitu : • Perancangan algoritma pada node anchor (node jangkar yang terhubung ke PC) • Perancangan algoritma node yang dicari posisinya. • Perancangan algoritma untuk mengestimasi koordinat posisi menggunakan metode trilaterasi.
2
Dengan diketahui 3 lingkaran jangkar diperoleh 3 persamaan seperti persamaan (4),(5) dan (6) sehingga koordinat node D adalah (x,y) dapat dicari.
3.1.1 Perancangan Algoritma pada Node Anchor Node anchor adalah node anchor yang bertugas mengirim karakter “a” ke node unknown atau node yang dicari untuk mengetahui besar kecilnya sinyal yang diterima oleh node unknown. Node anchor juga terhubung ke PC (server) dimana node unknown akan mengirimkan data jarak dari node anchor kemudian dikirim menuju ke server. Semua data jarak tersebut diproses menjadi tampilan node menggunakan C++. Berikut ini adalah flowchart kerja sistem node anchor yang akan dibuat.
Start
Start
Masukkan posisi xa = Masukkan posisi ya =
Masukkan posisi xb = Masukkan posisi yb =
Masukkan posisi xc = Masukkan posisi yc =
Inisialisasi Serial
Inisialisasi Serial
Inisialisasi Serial
Mengirim karakter “a”
Mengirim karakter “a”
Mengirim karakter “a”
Menerima data RSSI
Menerima data RSSI
Menerima data RSSI
Mengkonversi Hex to desimal
Mengkonversi Hex to desimal
Mengkonversi Hex to desimal
Printf = ra - ....dbm
Printf = rb - ....dbm
Printf = rc - ....dbm
Pilih Tempat Percobaan
Mengirim karakter “a” 1. LAP.Basket
Menerima data “RSSI ” Dari unknown node
No
3. Tempat Rindang
2. LAP Bola
Yes
Yes
Regresi r1,r2,r3
Mengirim data “RSSI ” ke PC
No
No
Yes
Regresi r1,r2,r3
Regresi r1,r2,r3
Hitung Estimasi y dan x
End
Tampilakan koordinat X dan Y
Gambar 5 Flowchart cara kerja Node Anchor
Proses penampilan OPENGL
3.1.2 Perancangan Algoritma pada Node yang Dicari Posisinya
End
Gambar 7 Flowchart sistem disisi server 4.
IMPLEMENTASI, PENGUKURAN DAN ANALISA 4.1 Implementasi Sistem 4.1.1 Pembuatan Modul Node Anchor
Node yang dicari posisinya adalah node yang berada dalam lingkup node anchor, dimana untuk mencari node yang belum diketahui posisinya node anchor harus mengirim karakter “a”. Jika pengiriman karakter “a” tidak diterima node yang dicari maka kekuatan sinyal tidak bisa di proses. Hal ini disebabkan karena untuk mencari node yang tidak diketahui posisinya tidak dapat menerima karakter “a”.
Rangkaian by pass digunakan sebagai perangkat node anchor yang telah diketahui posisinya. Node anchor yang bertugas sebagai menjembatani perintah dari PC / notebook server untuk mengirim karakter ke node unknown dan menerima data data dari node unknown ke PC. Pada penelitian ini menggunakan ic MAX 232 sebagai by pass. Rangkaian by-pass XBee terhubung dengan USB to serial ke notebook (sebagai pengganti PC). Berikut gambar modul node anchor yang dibuat.
Gambar 6 Flowchart cara kerja Node Unknown 3.2 Perancangan Algoritma untuk Mengestimasi Posisi Node dengan Metode Trilaterasi Setelah mengetahui sistem kerja node proses selanjutnya adalah menghitung posisi koordinat node dalam 2 dimensi. Data jarak yang diperoleh dari node-node jangkar (node A, node A1 dan node A11). Data jarak antara node A dengan node yang dicari adalah r1, node A1 dengan node yang dicari adalah r2 dan node A11 dengan node yang dicari adalah r3. Kemudian di dalam PC dengan pemrograman C++ akan dilakukan proses trilaterasi dan menampilkan posisi node secara 2 dimensi.
Gambar 8 node anchor
4.1.2 Pembuatan Modul Node Unknown Microcontroller digunakan sebagai perangkat node unknown. Node unknown tersebut bertugas menerima karakter “a” dan mengirim data RSSI yang didapat dari pembacaanya. Pada penelitian ini menggunakan microcontroller ATMega 8535 pada sisi node unknown. Pada microcontroller ATMega8535 AVR di beri LCD pada PORT A fungsinya untuk mengetahui data masuk dan
3
akan dijadikan sebagai acuan data untuk mewakili jarak tiap satuan 0,5 meter.
besar kuat sinyalnya yang akan dikirim ke node anchor. Berikut gambar schematic rangkaian ATMega 8535. Berikut gambar modul node unknown menggunakan ATMega 8535.
Gambar 11 Konfigurasi Pengukuran Contoh Pengujian di lapangan basket PENS • Tujuan pengujian : Mendapatkan data NLOS Luas pengamatan 60x40 meter.
Gambar 9modul node unknown 4.2 Pengukuran Salah satu output yang paling mendasar dari proyek akhir ini adalah data hasil pembacaan kuat sinyal ke jarak antar node. Hasil pengukuran yang diharapkan harus mempunyai tingkat kesalahan yang kecil sehingga penentuan posisi node yang dicari mempunyai tingkat keberhasilan yang tinggi. Sesuai dengan batasan masalahnya saat pengukuran dikondisikan dengan kondisi pengiriman data antara pengirim dan penerima tanpa halangan (Line Of Sight). Selain itu pengukuran yang dilakukan disini hanya menggunakan satu jenis XBee dan satu pasang XBee (node anchor dan node unknown). Pengukuaran dilakukan secara acak, dengan kondisi lingkungan pada saat pengukuran adalah heterogen.
Gambar 12 lokasi pengukuran lapangan basket PENS 4.3 Pengujian dan Analisa
4.2.1
Pengujian untuk mencari kuat sinyal antara node jangkar dengan node yang dicari posisinya.
Pengujian dan analisa merupakan salah satu langkah yang harus dilakukan untuk mengetahui apakah pengukuran yang telah dilakukan dengan beberapa pengukuran dan hasil keluaran estimasi sistem sudah sesuai dengan sistem perencanaan. Kesesuaian jarak dengan mengukur kekuatan sinyal dan hasil-hasilnya yang dicapai selama pengujian sistem.
1. Tujuan Tujuan dari pengujian ini adalah untuk mendapatkan kuat sinyal dari tempat yang berbeda pada tiap setengah meter pengukuran kemudian menjadikan data tersebut menjadi acuan data jarak.
Gambar 13 Grafik pengukuran di lapangan basket PENS Hasil pengujian pembacaan kuat sinyal yang diterima oleh node anchor dapat dilihat bahwa terdapat variasi data pembacaan kuat sinyal pada tiap setengah meternya. Pengujian dilakukan sebanyak 20 kali pada tempat yang sama dan kondisi yang sama. Pengujian sebanyak 20 kali ini menghasilkan data yang berbeda –beda. Selain itu terdapat kesamaan pembacaan pada pengukuran pada jarak yang berbeda. Oleh sebab itu dilakukan perhitungan rata-rata pembacaan kuat sinyal sebanyak 20 kali pada jarak yang sama. Dari rata-rata kuat sinyal
Gambar 10 gambar tampak depan alat/ sensor untuk mengukur kuat sinyal 2. Parameter Pengujian Pengujian yang dilakukan adalah pembacaan kuat sinyal yang diterima oleh node anchor. Pengujian pembacaan kuat sinyal yang diterima oleh node anchor dilakukan sebanyak 20 kali. Data – data tersebut nantinya
4
tersebut dapat dilihat bahwa pembacaan kuat sinyal ratarata pada tiap setengah meternya mengalami penurunan pada 0,5 meter – 1 meter, 1,5 meter – 2 meter, 2,5 meter – 4 meter, 4.5 meter – 5 meter dan kenaikan pada 1 meter – 1,5 meter, 3,5 meter – 4,5 meter. Setelah dibuat grafik sinyal rata-rata mengalami kenaikan tetapi tidak linier. Pembacaan kuat sinyal rata-rata ini ditunjukkan pada gambar 4.26 yaitu grafik pembacaan kuat sinyal rata-rata oleh node anchor dengan node unknown.
Posisi X Y
Koordinat riil 2 2.5
Koordinat estimasi 2.59 2.55
jadi error posision adalah: ² Error posisi = 0.59 m Analisa estimasi terdapat tiga percobaan pada setiap tempat. Percobaan dengan posisi node unknown yang sama dengan node anchor yang berbeda posisi dan node anchor yang sama posisinya dengan node unknown yang berbeda posisi. Dengan perbedaan posisi ini agar bisa dilihat error estimasi posisinya.
4.3.2.1 Hasil Pengujian dan Analisa a. Lokasi Lapangan Basket PENS Visualisasi dapat dilihat pada gambar berikut :
Tabel 2 Error estimasi posisi Node Unknown 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Gambar 14 Hasil pengujian tampilan C++ percobaan di lap. Basket
Posisi Riil X
Y 2 2 3 3.5 2 2 2 3 2 2.5 2.5 3
2.5 2.5 3 3 2.5 2.5 2 3 2 2.5 2.5 4
Posisi Estimasi Error X Y (Meter) 2.55 2.59 0.59 3.14 3.26 1.95 3.33 3.16 0.29 3.46 3.36 0.13 1.38 2.39 0.39 1.58 2.76 0.32 1.66 2.72 0.63 3.71 3.93 1.39 1.87 2.81 0.79 2.89 2.38 0.37 3.48 3.83 0.89 2.21 -1.07 5
% Error 11.8 39 5.8 2.6 7.8 6.4 12.6 27.8 15.8 7.4 17.8 100
Rata – rata error estimasi adalah 22.55%. jadi tingkat ke akuratan estimasi adalah 77.45 %. Analisa akurasi 77.45% dengan metode trilateral ini dihasilkan karena buruknya data jarak yang didapatkan saat proses pengukuran. Buruknya data jarak karena pengaruh Loses (redaman, pantulan, noise) pada area pengukuran. 5.1 KESIMPULAN Setelah melakukan tahap perancangan dan pembuatan sistem yang kemudian dilanjutkan dengan tahap pengujian dan analisa maka dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut :
Gambar 15 Hasil pengujian tampilan opengl percobaan di lap. Basket Keterangan : : Node A : Node B : Node C : Node Unknown yang diketahui : Node Estimasi Dari gambar 14 dapat dilihat bahwa pengukuran menghasilkan : Jarak node unknown – node A : 3.44 meter Jarak node unknown – node B : 2.726 meter Jarak node unknown – node C : 2.964 meter Koordinat node estimasi : (2.55, 2.59) Tabel 1 Error percobaan pertama di lapangan basket
•
•
•
5
Hasil pengukuran kuat sinyal dari 4 lokasi pada jarak 4 meter didapatkan nilai rata- rata kuat sinyal -80,8 dBm dan pada jarak 5 meter didapatkan nilai rata-rata kuat sinyal -81,7 dBm, sehingga dari nilai rata-rata kuat sinyal tersebut tidak linier. Hal ini disebabkan oleh kondisi cuaca dan interferensi. Hasil pengujian estimasi posisi di 4 lokasi didapatkan kesalahan terbesar yaitu 100% pada laboratorium komunikasi digital di karenakan banyak furniture yang menyebabkan pantulan. Pada pengujian untuk mencari jarak antara node yang dicari dengan node anchor maka error estimasinya di lapangan basket terendah 0,29 meter dan tertinggi 1,95 meter, sedangkan di stadion ITS di dapatkan terendah 0,32 meter dan tertinggi 1,11 meter, di tempat taman stadion ITS di dapatkan terendah 0,63 meter dan tertinggi 0,79
•
meter, di tempat Lab. Komdig di dapatkan terendah 0,37 meter dan tertinggi 5 meter. Hasil penerapan algoritma metode trilaterasi untuk menampilkan koordinat posisi node yang dicari, dengan tingkat akurasi keberhasilan 77,45%.
5.2. SARAN Dari hasil proyek akhir ini terdapat beberapa kekurangan. Oleh karenanya penulis merasa perlu untuk memberi saran-saran sebagai berikut : • Kondisi lingkungan sekitar pada saat pengujian (gedung, suhu, cuaca, noise, redaman, pantulan) sangat mempengaruhi gelombang radio elektro magnetic. Sehingga kekuatan sinyal radio yang didapatkan pada tiap pengujian berubah-ubah. Untuk itu kondisi lingkungan pada saat pengukuran kekuatan sinyal radio perlu diperhatikan karena tiap perubahan kondisi lingkungan akan mempengaruhi besar kecilnya kekuatan sinyal radio. • XBee tidak akurat karena tidak memperhatikan lingkungan sekitar untuk bias mendapatkan kuat sinyal yang lebih akurat.
DAFTAR PUSTAKA 1.
2. 3.
4.
5.
6.
7. 8.
R, Mardeni, Node Positioning in ZigBee Network Using Trilateration Method Based on the Received Signal Strength Indicator (RSSI), EuroJournals Publishing,2010. Prima kristalina, metode numeric Regresi, Materi Regresi PENS-ITS,2008. Chris Savarese, Jan M. Rabaey, dan Jan Beutel, “Locationing in Distributed Ad-Hoc Wireless Sensor Network”, ICASSP CONFERENCE pages 2037—2040, 2001. Deny Febriyanto Rancang Bangun Sistem Komunikasi Multihop Pada Jaringan Sensor Nirkabel, Tugas Akhir PENS-ITS,2010. Shuang Tian, Xinming Zhang, Pengxi Liu, Peng Sun, Xinguo Wang, A RSSI-based DV-hop Algorithm for Wireless Sensor Networks Department of Computer Science and Technology University of Science and Technology of China,2007. Guoqiang Mao, Localization Algorithms and Strategies for Wireless Sensor Networks, University of Sydney, Australia,2009. Azzedine Boukerche Localization Systems For Wireless Sensor Networks, University Of Ottawa, Majalah IEEE,2010. All Data sheet, Website http://www.alldatasheet.com, 2011 http://www.maxstream.com/xbee-pro-wirelessinstruction-set diakses pada 5 November 2011.
6
