ZIGBEE

PEMANTAUAN DAN PENGATURAN SUHU RUANG DENGAN JARINGAN SENSOR NIRKABEL MENGGUNAKAN PROTOKOL IEEE 802.15.4/ZIGBEE Koko Joni Program Studi Manajemen Informatika, Fakultas Teknik, Universitas Trunojoyo Jl. Raya Telang, PO BOX 2, Telang, Kamal, Bangkalan Email: [email protected]

ABSTRAK Usaha penghematan energi menjadi isu yang hangat dibicarakan saat ini. Berbagai usaha dilakukan untuk melakukan penghematan energi. Pemantauan dan pengaturan suhu dilakukan sebagai salah satu upaya dalam penghematan energi. Jaringan sensor nirkabel digunakan untuk pemantauan dan pengaturan jarak jauh terhadap peralatan seperti AC maupun lampu. Tujuanya adalah untuk memantau kondisi ruangan dari jarak jauh sehingga jika ruangan terkunci atau kosong, maka dengan mudah dapat dilakukan pemadaman terhadap AC atau lampu sehingga energi listrik bisa dihemat. Sensor dan relay di hubungkan dengan Xbee dan di tempatkan di dua ruang Lab BIS 1 dan Lab BIS 2, sedang Xbee yang lain sebagai koordinator di tempatkan di ruang dosen. Komunikasi jaringan sensor menggunakan protokol IEEE 802.15.4/ZigBee, yang merupakan standar untuk jaringan sensor nirkabel. Sistem berjalan dengan baik ketika jaringan sudah terbentuk, kondisi suhu tiap ruang sekitar 280C. AC dan lampu dapat diatur dengan baik secara remote melalui aplikasi yang dibuat, sehingga penghematan energi dapat dilakukan. Kata kunci : jaringan, IEEE802.15.4/ZigBee, energi

ABSTRACT Energy conservation efforts become a contentious issue discussed at this time. Various attempts were made to make energy savings. Monitoring and controlling temperature wass done in an effort to save energy. Wireless sensor network is used for monitoring and controlling remotely to equipment such as air conditioning or lights. The aim is to monitor the condition of the room from a distance so if the room is locked or empty, it can easily turn off the air conditioning or lights so that electrical energy can be saved. Sensors and relay connected with Xbee and placed in two space, Lab BIS 1 and Lab BIS BIS 2, another Xbee as coordinator placed in the lecture room. Sensor networks communications using IEEE 802.15.4/ZigBee protocol, which is a standard for wireless sensor networks. The system runs fine when the network is established, the condition of each room temperature around 280C. Air condtioner and lights can be set to either remotely through an application made, so the energy savings can be made. Keywords: network, IEEE802.15.4/ZigBee, energy

PENDAHULUAN Energi merupakan isu yang hangat dibicarakan saat ini, dan banyak usaha di lakukan untuk penghematan energi tersebut. Salah satu adalah usaha penghematan energi di dalam gedung perkantoran, rumah maupun bangunan yang lain. Usaha penghematan energi di dalam ruangan telah dilakukan dengan berbagai cara, seperti dengan menggunakan energi alternatif[1], penggunaan peralatan listrik yang hemat energi hingga pengaturan berbagai peralatan listrik melalui telemetri [2]. Konsep rumah pintar (smart house) [3] telah di kembangkan di berbagai bangunan yang salah satu tujuannya adalah untuk penghematan energi. Teknologi rumah pintar dikembangkan untuk melakukan pengaturan dan pengawasan terhadap kondisi bangunan di dalamnya, baik tentang suhu, kondisi peralatan listrik hingga masalah ventilasi dimana hal tersebut dapat di awasai dan diatur melalui suatu sistem yang terpusat dan dapat di remote dari jauh melalui internet. Perkembangan teknologi runah pintar sekarang mengarah kepada jaringan sensor nirkabel yang mengacu pada standar IEEE 802.15.4/ZigBee [Guteres]. Protokol IEEE 802.15.4 diperuntukan untuk jaringan dengan data kecil dan area yang terbatas (low rate wireless personal network LR-WPAN) [4]. Teknologi IEEE 802.15.4 ini tepat digunakan untuk konsep rumah pintar karena data yang di proses tidak banyak dan area tidak terlalu luas, seperti memantau kondisi suhu ruangan, menyalakan maupun mematikan peralatan listrik yang ada, hingga untuk tanda bahaya jika ada gangguan atau pencurian. Makalah ini melakukan pemantauan terhadap suhu ruangan kemudian mematikan atau menyalakan AC atau lampu secara remote dari jauh. Pemantauan ini bisa digunakan di dalam ruangan yang tidak selalu di awasi oleh manusia, misal rumah kaca, ruang server maupun laboratorium. Tujuan penelitian digunakan untuk memantau dan mengatur suhu ruangan secara jarak jauh (remote) menggunakan teknologi jaringan sensor nirkabel IEEE 802.15.4/ZigBee sehingga penggunaan energi listrik dapat terpantau dan kita bisa melakukan penghematan energi jika penggunaan sesuai dengan kebutuhan. Pembahasan selanjutnya dari makalah ini yaitu tentang protokol IEEE 802.15.4/ZigBee, kemudian mengenai rancangan sistem yang digunakan dalam penelitian ini, dilanjutkan

pembahasan tentang hasil dari sistem pemantauan dan pengaturan suhu ruang ini dan Bab 5 berisi kesimpulan.

Tinjauan Pustaka Teknologi jaringan sensor nirkabel telah banyak dilakukan dalam berbagai bidang seperti pertanian [5], pengamatan lingkungan [6], kesehatan [7], otomatisasi gedung [8] maupun bidang lainnya. Pemantauan dan pengaturan suhu ruangan menggunakan jaringan sensor nirkabel disini menggunakan jaringan ZigBee dengan Xbee sebagai alatnya. Menurut T.C. Manjunath dalam makalah “Design, Development & Implementation of Temperature Sensor using ZigBee Concepts” [9], menjelaskan tentang pembuatan sistem sensor suhu dengan menggunakan ZigBee. Sistem di buat dengan menggunakan mikrokontroller PIC 16F873, sensor suhu LM35 dan menampilkan hasil melalui LCD. Komunikasi nirkabel menggunakan Xbee dengan protokol ZigBee. Sistem yang dibuat menunjukkan sistem dapat berjalan dengan baik, dan suhu dapat di ukur secara akurat dan cepat. Menurut Boonsavat, V. dalam makalah “ Xbee Wireless Sensor Networks for Temperature Monitoring”[10], menjelaskan tentang penerapan jaringan sensor nirkabel Xbee untuk pengamatan suhu. Pengamatan suhu ini dilakukan di ruangan untuk mengatur sistem pendingin ruangan di kampus SIIT. Penelitian ini digunakan untuk penghematan energi. Sensor dipasang pada tiap kelas, dimana terdiri dari mikrokontroler dan Xbee yang menggunakan protokol IEEE 802.15.4/ZigBee. Sensor membaca suhu ruangan kemudian di kirim ke koordinator, hasil dari pembacaan sensor dapat diamati melalui web browser. Hasil dari penelitian ini menunjukkan bahwa jarak tidak mempengaruhi waktu gabung ke jaringan. Berdasar hasil penelitian penulis sebelumnya dalam makalah “Pengujian Jarak dan Waktu Gabung Protokol IEEE 802.15.4/ZigBee di Lingkungan Indoor” [11] , dengan menggunakan metode On/Off dan Pairing. Metode On/off merupakan simulasi dari keadaan mati kemudian hidup lalau mengirim data sensor ke koordinator. Metode Pairinf merupakan kondisi dimana antara koordinator dengan router/end device selalu terhubung. Menggunakan jaringan Mesh dan protokol IEEE 802.15.4/ZigBee didapatkan bahwa jarak yang bisa dicapai dengan metode On/Off tidak terlalu jauh hanya beberapa ruang di dalam gedung

sedang dengan metode pairing bisa mencapai jarak 65 meter sedang waktu gabung paling lama dibutuhkan 1 menit 15 detik. Pengujian jarak dan waktu gabung ini penting karena digunakan untuk membuat sistem jaringan sensor nirkabel dalam hal penempatan sensornya.

Tabel 1. Karakteristik Umum IEEE 802.15.4 PHY (MHz)

868 & 915 2400

Band Frekuensi (MHz)

868868.6 902-928 24002483

Parameter Penyebaran Chip Mo rate Dula (kchip/s) tion

Paramater data Bit rate (kb/s)

300

BPSK

20

Symbol rate (ksy mbol/s) 20

600 2000

BPSk OQPSK

40 250

40 62.5

Sym bols

pesannya melalui serangkain radio lain menuju ke tujuan lkhirnya. 2) Jaringan ad hoc Ini merupakan proses yang terjadi dalam seluruh jaringan radio, tanpa campur tangan manusia. 3) Self healing mesh Proses self healing yaitu proses menyembuhkan dirinya sendiri, dimana dalam jaringan mesh ini jika ada penambahan atau ada node yang hilang, maka secara otomatis jaringan akan terbentuk kembali dan memperbaiki rute yang rusak.

Binary Binary 16 – array orthog onal

Protokol IEEE 802.15.4/ZigBee Protokol ZigBee mendefinisikan hanya pada lapisan networking, application dan security. Sedangkan lapisan bawahnya physical dan MAC mengadopsi pada IEEE 802.15.4. ZigBee memiliki kecepatan maksimal 250 kbps, ZigBee juga memiliki kelebihan pada pengoperasiannya yang sangat mudah, bentuknya kecil, murah dan membutuhkan daya yang sangat rendah (low power consumption) dibandingkan dengan keluarganya yang lain seperti Bluetooth dan UWB. ZigBee menggunakan tiga buah band frekuensi yang digunakan secara berbeda-beda. Untuk saat ini frekuensi 915MHz digunakan di Amerika, 868MHz di Eropa, dan 2.4GHz di Jepang dan lainnya. Karakteristik secara umum dari ZigBee dapat dilihat dari Tabel I. Untuk physical dan MAC layer nya sendiri menggunakan standar IEEE 802.15.4, yang digunakan untuk mendefinisikan pengaturan daya, pengalamatan, kesalahan, format pesan, dan point to point komunikasi radio. Sedang untuk lapisan diatasnya (data link, network, dan aplication interface) ditentukan oleh ZigBee Alliance. Hubungan antara IEEE 802.15.4 dan ZigBee dapat dilihat pada Gambar 1 [12]. ZigBee merupakan kumpulan layer yang dibangun diatas IEEE 802.15.4 layer ini mempunyai 3 komponen penting [13], yaitu: 1) Routing Tabel routing mendefinisikan bagaimana sebuah sebuah radio dapat menyampaikan

Gambar 1. Hubungan antara ZigBee dan IEEE 802.15.4

Setiap jaringan ZigBee sedikitnya mempunyai satu alat sebagai koordinator dan satu perangkat lain sebagai router atau perangkat akhir (end device). Koordinator bertugas membangun suatu jaringan, mengirimkan sinyal penanda, mengatur titik-titik jaringan, menyimpan informasi titik jaringan, menyampaikan pesan diantara titik yang terhubung. Koordinator memerlukan memori yang cukup untuk menangani konfigurasi jaringan, data dan proses pengaturan mandiri jaringannya. Koordinator membutuhkan daya lebih besar dari lainnya dan biasanya membutuhkan daya yang terus menerus. Router dapat bergabung dalam jaringan yang ada, meneruskan data dari router lain atau end device. Perangkat akhir (end device) mengirim data dan bergabung pada jaringan tetapi tidak bisa meneruskan data dari perangkat lainnya, di

perangkat akhir terdapat fungsi tidur (sleep) dapat menghemat energinya. Protokol ZigBee mendukung beberapa topologi jaringan. Di dalam ZigBee tedapat empat jenis topologi [13], yaitu pair , star, mesh dan cluter tree, seperti pada Gambar 2. Jenis pair merupakan yang paling sederhana karena hanya membutuhkan dua radio, dimana satu sebagai koordinator sedang yang lain sebagai router atau end device. Topologi star juga relatif mudah, karena satu koordinator di tengah sedang lainnya mengirim data ke koordinator, hampir sama dengan pair tetapi ini memiliki lebih dari satu router atau end device. Topologi Mesh memiliki beberapa router dan end device, dimana router selain mengirim data dari dirinya juga meneruskan data dari end device, serta mempunyai kemampuan menyembuhkan rutenya jika terjadi masalah. Cluster tree hampir sama dengan mesh, tetapi untuk peruteannya tidak sama, end device memilih router tertentu untuk meneruskan datanya ke koordinator.

yang digunakan pada yaitu Wire , U.Fl, RPSMA dan Chip.

Gambar 3. Xbee Pro Series 2

Xbee mempunyai 7 masukan maupun keluaran yang dapat diatur sebagai I/O digital maupun analog. Untuk masukan aanalog hanya 4 pin yang bisa digunakan. Untuk tegangan masukan tegangan masukan maksimal 1,2 Volt. Untuk itu diperlukan pembagi tegangan jika masukan dari alat memiliki lebih dari 1,2 V. Di dalam mengatur konfigurasi Xbee digunakan aplikasi X-CTU maupun melalui hyperterminal, dimana dapat dilakukan melalui perintah AT command maupun secara visual yang sudah ada pada menu X-CTU.

Transmisi Radio

Gambar 2. Topologi jaringan ZigBee

Xbee Xbee merupakan salah satu merek dagang yang mendukung beberapa protokol komunikasi seperti ZigBee dan 802.15.4. Xbee merupakan salah satu produk dari Digi International (Gambar 3). Xbee memiliki dua versi yaitu seri 1 dan seri 2. Seri 1 hanya mendukung protokol IEEE 802.15.4 dan komunikasi point to point dan point to multipoint. Seri 2 melengkapi seri 1 mendukung protokol yang ditentukan ZigBee Alliance dan komunikasi mesh. Xbee mempunyai 4 tipe antena

Paket data ZigBee dapat dikirim secara unicast atau broadcast. Secara unicast transmisi merutekan data dari satu sumber titik ke satu titik tujuan yang lain. Transmisi secara broadcast mengirim data ke semua titik yang ada pada jaringan. Transmisi secara broadcast menyebarkan sinyal ke seluruh jaringan sehingga semua titik menerima sinyal ini, sehingga untuk menyelesaikan proses ini koordinator dan semua router yang menerima sinyal ini akan mengirim ulang paket sebanyak tiga kali. Titik yang mengirim sinyal broadcast akan membuat catatan transmisi di dirinya. Catatan ini digunakan untuk menyimpan setiap paket broadcast agar paket tidak berulang-ulang dikirim. Untuk setiap transmisi broadcast, perangkat ZigBee menyediakan tempat untuk salinan paket data yang dikirim. Salinan ini diperlukan jika akan ada pengulangan pengiriman. Transmisi secara unicast dapat ke satu

titik atau ke beberapa titik dengan cara multihop. Jika dikirim ke jalur dengan banyak hop maka memerlukan rute ke tujuannya. Beberapa routing yang digunakan adalah AODV (Adhoc OnDemand Distance Vector) mesh routing, many to one routing dan source routing.

METODOLOGI Pengujian dilakukan menggunakan 3 buah perangkat Xbee, satu sebagai koordinator dan dua sebagai router. Dengan metode pairing end device tidak digunakan karena untuk melakukan pengaturan perangkat jaringan sensor harus terus menyala. Jika menggunakan end device pengaturan akan sulit dilakukan dan bisa gagal, karena ketika ada perintah untuk menyalakan AC, ketika end device sedang dalam kondisi tidur maka perintah tidak akan bisa dilakukan. Sensor suhu ditempatkan di dua ruang yaitu di Lab BIS 1 dan Lab BIS 2 sedang ruang dosen D3 Manajemen Informatika untuk menempatkan koordinator (Gambar 4). Topologi yang digunakan adalah star dengan mengadopsi jaringan mesh ZigBee. UPT Bahasa

Lab BIS 2

FISIB Koordinator FISIB

Gambar 5. Jaringan sensor suhu

Koordinator sebagai penerima semua data dari jaringan sensor dan untuk mengatur jaringan sensor di hubungkan dengan komputer menggunakan Xbee adapter. Komunikasi secara serial diantara Xbee adapater dan komputer menggunakan kabel USB. Konfigurasi dari router 1, router 2 dan koordinator di tunjukkan pada Gambar 6. Router menerima data dari sensor suhu, kemudian data dikirimkan ke koordinator. Koordinator menerima data pembacaan sensor suhu, kemudian di tampilkan di komputer. Pengguna dapat memantau suhu secara real time karena data dikirim setiap 1 detik. Pengguna juga dapat melakukan aksi seperti mematikan atau menyalakan lampu, kipas angin atau AC secara remote melalui koordinator.

Router PUSKOM LAMA

Ruang Dosen D3 MI

Lab BIS 1

Gambar 4. Lokasi penempatan sensor

Sensor suhu yang digunakan adalah LM335. Bentuk rangkaian router jaringan sensor suhu bisa dilihat pada Gambar 5. Sensor suhu LM 335 digunakan untuk mengukur suhu dari 40 0 C - 100 0 C. Dengan keluaran linier +10 mV per derajat Kelvin. Xbee maksimal bisa membaca tegangan input sampe 1, 2 V maka diperlukan pembagi tegangan, karena tegangan keluaran dari sensor LM335 2,92-3,04 V. Sehingga diperlukan R1 100 kΩ dan R2 200 kΩ untuk membuat tegangan keluaran dari LM 335 menjadi 1/3 nya. Jaringan sensor juga dihubungkan dengan relay yang digunakan untuk menyalakan ataupun mematikan kipas angin, lampu maupun AC.

Gambar 6. Komunikasi koordinator dan router

Perangkat lunak yang digunakan adalah Processing (http://processing.org). Aplikasi Processing ini digunakan untuk membuat antar muka pengguna dengan komputer sehingga memudahkan dalam pembacaan suhu dan pengaturan perangkat elektronik seperti AC ataupun kipas angin.

HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian dengan menempatkan jaringan sensor suhu Lab BIS 1 dan Lab BIS 2, koordinator berada di ruang dosen D3MI. Jaringan sensor dalam keadaan selalu nyala karena di gunakan untuk memantau dan mengirim data suhu yang dibaca ke koordinator setiap satu detik. Koordinator menerima data dari sensor suhu menggunakan jaringan mesh ZigBee. Protokol IEEE 802.15.4/ZigBee digunakan untuk komunikasi antar sensor. Tabel 2. Pembacaan suhu real time Node

Suhu real time

Lab Bis 1

27

Lab Bis 2

28

Awal pengujian membutuhkan waktu untuk menyambungkan antara router dengan koordinator. Tugas membentuk jaringan dikerjakan oleh koordinator kemudian koordinator mengirim sinyal broadcast, router yang menerima mengirim sinyal balik sehingga terbentuk jaringan sensor. Sistem berjalan dengan baik ketika jaringan sensor sudah terbangun dari awal sehingga dalam pengujian tidak ada kendala mengenai jaringan komunikasi antara router dengan koordinator.

Gambar 8. Saklar jarak jauh

Tabel 2 menunjukkan suhu yang terbaca di ruangan Lab BIS 1 dan Lab BIS 2, dimana suhu dikirim secara real time dari sensor melalui Xbee router kemudian di kirim ke Xbee koordinator. Koordinator terhubung dengan PC yang digunakan untuk aplikasi antar muka grafis sehingga memudahkan pengguna untuk mengetahui keadaan suhu di ruangan Lab BIS (Gambar 7). Dengan aplikasi yang sama digunakan untuk mematikan atau menyalakan AC atau Lampu yang sudah terhubung dengan relay secara remote. Sehingga dengan aplikasi ini (Gambar 8) kita dapat dengan mudah mematikan AC atau lampu dari jarak jauh jika ruangan tidak terpakai atau tidak sedang digunakan, sehingga penghematan energi dapat dilakukan karena listrik yang digunakan sesuai dengan kebutuhan.

SIMPULAN

Gambar 7. Hasil pembacaan sensor

Dari hasil pencatatan suhu di data base, suhu rata-rata tiap hari sekitar 280C. Kondisi siang hari AC dan lampu nyala pada malam hari AC dan lampu mati.

Pemantauan dan pengaturan suhu ruang dapat dilakukan dengan mudah dengan menggunakan jaringan sensor network IEEE 802.15.4/ZigBee. Sistem berjalan dengan baik ketika jaringan sudah terbentuk. Kondisi suhu rata-rata tiap hari tercatat 28 0C. AC dan lampu di LAB BIS 1 dan 2 dapat dimatikan atau dinyalakan secara remote dari ruang dosen, sehingga penggunaan energi bisa di hemat. Penelitian lebih lanjut perlu disambungkan dengan internet sehingga pemantuan dan pengaturan tidak hanya secara lokal tetapi bisa darimana saja selama tersambung dengan internet. Serta penambahan sensor gerak untuk mengetahui aktifitas orang di ruangan sehingga kita mengetahui keadaan ruang sedang di pakai atau tidak.

DAFTAR PUSTAKA [1] Holm, Dieter, , 2005 “Renewable Energy Future for the Developing World”, International Solar Energy Society, White

Paper, German.. [2] Metrilog, 2005, “M2M: The New Age of Telemetry”, White Paper, Austria. [3] Sulc, V.,Kuchta, R.,Vrba, R , , 2010” IQRF Smart House - A Case Study”, Third International Conference on Advances in Mesh Networks, pp.103-108. [4] Gutierrez J. A., M. Naeve, E. Callaway, M.Bourgeois, V.Mitter and B. Heile, 2001 ‘‘IEEE 802.15.4: A Developing Standard for Low-Power, Low-Cost Wireless Personal Area Networks,’’ IEEE Network, Vol. 15, No. 5, pp. 12–19, Sept./Oct. [5] Panchard, Jacques, , 2008, “WIRELESS SENSOR NETWORKS FOR MARGINAL FARMING IN INDIA”, thesis, ECOLE POLYTECHNIQUE F ´ ED´ ERALE DE LAUSANNE. [6] Kavi K. Khedo, Rajiv Perseedoss, Avinash Mungur, 2010, “A Wireless Sensor Network Air Pollution Monitoring System”, International Journal of Wireless & Mobile Networks (IJWMN), Vol 2 No2, May. [7] S. Dagtas et al., 2007,”Multi-stage Real Time Health Monitoring via ZigBee in Smart Homes,” Proceedings of IEEE International Conference on Anvanced Information Networking and Application Workshop (AINAW), pp. 782-786.

[8] Gutierrez, J.A, 2007 “On The Use Of IEEE 802.15.4 TO Enable Wireless Sensor Networks in Building Automation.”, International Journal of Wireless Information Networks Volume 14, Number 4. Manjunath, T.C, 2008. “ Design, Development & Implementation Sensor using ZigBee Concepts”, International Journal of Electrical Engineering, Vol 3: pp 736-748. [10] Boonsawat, V. , J. Ekchamanonta, K. Bumrungkhet, and S. Kittipiyakul, 2008, “XBee wireless sensor networks for temperature monitoring”, Second Conference on Application Research and Development (ECTI-CARD), Thailand. [11] Joni, Koko. Hidayat, R. Sumaryono, S. , 2012, “Pengujian Jarak dan Waktu Gabung Protokol IEEE 802.15.4/ZigBee di Lingkungan Indoor” JNTETI, Vol 1 :hal 48-52. [12] Shahin, F. 2008, “ZigBee Wireless [9]

Networks and Transceiver,” Newnes, New York. [13] Faludi, Robert, 2010 “ Building Wireless Sensor Networks” , O’reilly, California..