Saya akan sangat menghargai dan berterima kasih kalo sumbangan tulisan, paper atau info yg berguna untuk penyempurnaan tulisan ini.
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
Indonesia adalah negara yang sedang berkembang di berbagai bidang. Pembangunan pemukiman, infrastruktur dan industri yang pesat harus diimbangi dengan ketersediaan sumber tenaga listrik sebagai salah satu pendukung beroperasinya semua sarana yang telah dibangun. Sayangnya daya listrik yang tersedia kurang mencukupi, sehingga pemerintah menyerukan penghematan pemakaian listrik dan melakukan penyesuaian tarif dasar listrik serta pemutusan aliran listrik secara bergiliran apabila ada mesin pembangkit listrik yang bermasalah karena harus beroperasi tanpa henti untuk menyediakan suplai listrik. Untuk kalangan pemakai rumahan, perkantoran, perhotel dan pabrikan serta fasilitas umum lainnya, sering dijumpai beberapa alat listrik masih tetap hidup walaupun tidak dipakai, seperti lampu yang menyala terus disiang hari, AC, TV, komputer dan lain-lain yang tetap hidup walaupun tidak dipakai. Hal yang kelihatannya sepele ini, selain suatu pemborosan, juga memperpendek umur pakai alat-alat listrik tersebut. Jika 10% saja perilaku diatas terjadi di Indonesia, bisa dibayangkan berapa jumlah energi listrik dan biaya yang terbuang percuma untuk hal yang tidak perlu. Pengoperasian peralatan listrik tanpa pemantauan juga memungkinkan terjadinya hal-hal yang tidak diinginkan seperti kebakaran akibat hubungan arus pendek dan lain-lain.. Untuk itu diperlukan suatu otomatisasi pengontrolan terhadap pengoperasian alat listrik pada suatu gedung dengan menempatkan beberapa sensor sebagai pengindra dan pemantau kapan seharusnya alat listrik tersebut beroperasi dan bisa dikontrol dari jarak jauh. Dengan adanya pengontrolan secara otomatis ini, sebuah gedung dapat terlihat lebih ‘cerdas’, dan rumah lebih terasa nyaman. Parameter-parameter yang dipantau dan diindera oleh sensor adalah berupa gerakan, getaran, temperatur, cahaya, akustik, kelembaban, dan medan magnet. Nilai dari parameter-parameter yang dipantau tadi, bisa dipakai untuk menghidupkan atau mematikan suatu peralatan listrik. Misalkan, sebuah sensor dipasang untuk memantau dan mengindera cahaya dan temperatur dalam suatu ruangan. Bila kondisi pencahayaan dan temperatur dalam ruangan tersebut melebihi nilai pencahayaan dan temperatur yang telah ditentukan, maka sensor akan mematikan peralatan listrik yang berhubungan dengan cahaya serta suhu yang tersambung ke sensor, misalnya lampu dan AC. Demikian juga sebaliknya. Untuk sensor getaran dan akustik, bisa dipakai untuk memantau kinerja suatu mesin. Bila suatu saat sensor mendeteksi adanya getaran serta bunyi yang melebihi range yang sudah ditentukan, maka sensor akan mematikan mesin untuk menghindari hal yang tidak diinginkan. Sensor gerakan dan medan magnet dapat dipakai untuk menghidupkan atau mematikan alat listrik seperti lampu, oven listrik, rice cooker dan lain-lain. Skenarionya adalah bila sensor gerakan mendeteksi adanya gerakan atau sensor magnetis yang dipasang pada ketinggian tertentu terpotong medan magnetnya maka lampu akan menyala dan akan kembali padam setelah tidak ada aktifitas dalam ruangan lagi. Semua jenis sensor dapat diatur dan dirancang sesuai kebutuhan. Teknologi wireless yang semakin berkembang, bervariasi dan pemakaiannya sudah sangat luas dihampir semua bidang, dapat dimanfaatkan untuk pengontrolan ini. Ada teknologi Bluetooth (IEEE 802.15.1), ZigBee (IEEE 802.15.4), WiFi(IEEE 802.11b). Semuanya mempunyai market masing-masing dan jika dibandingkan, mempunyai kelebihan dan kekurangan .
Wireless Sensor Network (WSN) berbasis ZigBee merupakan salah satu cara yang tepat untuk mengimplementasikan suatu gedung yang ‘cerdas’. ZigBee adalah IEEE 802.15.4 yang dimodifikasi oleh ZigBee Alliance untuk otomatisasi peralatan listrik dalam rumah yang bekerja dalam bit rate yang rendah, terkoordinir serta sangat hemat energi dalam pengoperasiannya. Jika dibandingkan dengan Bluetooth yang dirancang untuk komunikasi suatu peralatan denga PC ( Personal Computer ) dan mempunyai anggota jaringan yang terbatas. IEEE 802.11 bekerja dalam bitrate yang tinggi dan membutuhkan infrastruktur yang mahal serta membiarkan anggota jaringan memperebutkan sumber daya yang ada sehingga keamanan data dapat terganggu. Dari perbandingan diatas, jelas ZigBee lebih unggul untuk penerapan pada HAS. Gambar 1.1 dan Gambar 1.2 mengilustrasikan WSN berbasis ZigBee.
Gambar 1.1 Contoh rumah yang memakai ZigBee Diagnose (www.freescale.com/zigbee)
Gambar 1.2 Penggunaan WSN ZigBee HA dalam rumah (Ramon , C.,2005)
1.2 Perumusan masalah
Seringnya terjadi peristiwa yang tidak diinginkan seperti pencurian, kebakaran yang diakibatkan oleh kesalahan atau kelalaian dalam pengoperasian peralatan listrik yang berlebihan serta penggunaan yang tidak terkontrol, juga kondisi dalam ruangan yang kurang nyaman akibat suhu serta intensitas cahaya yang kurang pas, pemborosan energi listrik dengan percuma yang menyebabkan tagihan listrik melonjak, menimbulkan tantangan yaitu bagaimana membuat Home Automation System (HAS) dimana suatu gedung atau rumah menjadi lebih “cerdas” dan mampu mengontrol penggunaan peralatan listrik dalam lingkungannya sehingga tempat tersebut menjadi aman dan nyaman dengan mengimplementasikan teknologi WSN yang disesuaikan dengan kondisi perumahan di Indonesia.
HAS adalah suatu sistem yang terdiri dari sensor-sensor, aktuator, tampilan dan berbagai peralatan yang dianggap sebagai node, yang saling terhubung untuk memantau dan mengontrol peralatan listrik dalam rumah. Fungsi kontrol dilakukan secara otomatis, kecuali untuk beberapa kesalahan yang tidak dapat ditangani oleh sistem. Dalam aplikasinya, jaringan HAS dapat melakukan pemantauan keamanan seperti alarm kebakaran dan detektor asap, pengontrolan seperti pengaturan suhu dalam ruangan, pencahayaan dan peralatan hiburan seperti perangkat audio dan video. HAS juga sangat membantu aktifitas harian para manula, orang cacat dan orang sakit yang ditinggalkan sendirian dirumah, misalnya dalam hal membuka atau menutup pintu atau jendela, mengatur penerangan dan suhu, melakukan panggilan darurat, mematikan kompor listrik secara otomatis, memperingatkan waktu makan, minum obat dan istirahat dan jadwal lainnya.
Karena ada berbagai jenis perumahan di Indonesia dengan kebiasaan penghuninya yang beragam pula, maka dalam implementasi HAS ini juga disesuaikan dengan tipe rumah. Untuk rumah tipe besar khususnya dalam kompleks perumahan mewah, dibutuhkan lebih banyak sensor dan ditekankan pada keamanan. Alasannya adalah penghuninya sedikit, rumah sering ditinggalkan pemiliknya untuk waktu yang lama, kurangnya interaksi antar warga perumahan, banyak peralatan elektronik dan barang mewah, sehingga rawan terhadap pencurian. Untuk rumah tipe sedang atau kecil, baik di lingkungan pemukiman biasa ataupun perumahan, rancangan HAS lebih sederhana dan ditekankan pada penghematan energi karena rumah jarang ditinggalkan sehingga peralatan listrik lebih sering terpakai. Intinya adalah rancangan HAS sangat fleksibel sehingga bisa disesuaikan dengan kebutuhan. Dalam penelitian ini diasumsikan bahwa HAS akan diimplementasikan pada rumah yang besar dan bertingkat atau apartemen. Lingkup penelitian adalah dengan melakukan studi literatur, bagaimana membuat simulasi dan prototipe WSN ZigBee untuk Home Automation System (HAS) dengan topologi mesh dan protokol Medium Access Control (MAC) serta membuat program pengontrolan dengan TinyOS. Topologi mesh dipilih karena cocok untuk jaringan dengan banyak node sensor terkontrol yang disebarkan dalam daerah yang luas.
1.3 Tujuan dan manfaat penelitian
Tujuan penelitian ini adalah bagaimana membuat suatu gedung menjadi “cerdas”, yang dapat memperkirakan, mencegah dan mengatasi suatu masalah, khususnya dalam me-manage penggunaan alat listrik secara tepat, efektif dan efisien dengan menggunakan WSN berbasis ZigBee, sehingga pemborosan penggunaan listrik dapat dikurangi dan membuat umur pakai alat listrik lebih lama. Selain itu, lingkungan dalam gedung tersebut terasa lebih nyaman dan aman, karena ada jaringan sensor yang mendeteksi kelembapan, temperatur, cahaya, suara, medan magnet, gataran, tekanan, gerakan dan lain-lain dalam suatu gedung. Dengan semua kemudahan yang diperoleh dengan implementasi HAS ini, akan sangat membantu aktifitas harian para manula, orang sakit, orang cacat atau anak kecil yang ditinggal sendirian dirumah. Tujuan khusus penelitian ini adalah mencari protokol WSN ZigBee yang cocok dalam hal efisiensi throughput, time delay, keamanan data, akurasi data, kecepatan akses dan pengunaan energi, untuk diimplementasikan pada rancangan HAS yang cocok dengan kondisi dan tipe perumahan di Indonesia khususnya rumah bertipe besar dan bertingkat..
BAB 2
KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1 Jaringan Komunikasi
Untuk dapat memahami dan menerapkan WSN, perlu dibekali dengan beberapa pengetahuan dan konsep dasar tentang komunikasi jaringan.
2.1.1 Topologi Jaringan
Hal mendasar dalam jaringan komunikasi adalah cara pengiriman pesan agar menghasilkan keluaran pesan yang jelas (Quantity of Service dan Quality of Service (QoS)). QoS dapat dipisah menurut tundaan pesan (message delay), waktu pesan, kesalahan pesan (Bit Error Rate (BER)), paket yang hilang (packet loss), biaya pengiriman yang ekonomis, daya pancar dan lain-lain. Dengan pertimbangan QoS, lingkungan instalasi, kehandalan, biaya dan aplikasi, salah satu dari beberapa topologi dasar jaringan dibawah ini dapat dipakai. Sebuah jaringan komunikasi terdiri dari node – node yang dapat mengirim dan menerima data melalui jalur komunikasi (communication links) yang menggunakan kabel (wired) atau tanpa kabel (wireless). Topologi dasar jaringan komunikasi seperti pada Gambar 2.1 adalah koneksi jenis star, ring, bus, tree, fully connected dan mesh.
Gambar 2.1 Topologi dasar jaringan, (Lewis,F.L. 2004)
Pada topologi star, semua node terhubung ke sebuah node utama yang mempunyai kemampuan lebih dalam menangani data, routing dan pengambilan keputusan dibanding node yang lain. Jika jalur komunikasi terputus, hanya berpengaruh pada node yang jualurnya terputus. Tetapi, jaringan akan tidak bekerja apabila node utamanya rusak. Pada topologi ring , semua node memiliki derajat yang sama. Data secara umum bergerak dalam satu arah. Bila jalur terputus, semua komunikasi macet. Pada topologi bus , node mengambil data dari bus. Setiap paket data mengandung informasi alamat tujuan data yang nantinya akan dikenali dan diambil untuk diproses oleh node tujuan. Pada topologi tree, tiap node berfungsi sebagai node kepala dan node anggota, yang tersusun berantai. Ada sebuah node kepala yang mempunyai beberapa anggota yang mengepalai beberapa anggota dan seterusnya. Data dikirim berantai dari node anggota ke node kepala diatasnya dan sebaliknya. Pada topologi fully connected, semua node berhubungan dengan node lain secara langsung. Semakin banyak node, semakin banyak jalur komukasi yang ada sehingga routingnya menjadi semakin kompleks dan menurunkan kemampuan komputansi node. Pada topologi mesh, node tersebar dan komunikasi data antar node dikirim bertahap melalui node terdekatnya. Semua node pada jaringan ini sudah ada identitas pengenalnya. Topologi ini cocok untuk jaringan node yang banyak atau WSN yang tersebar di lingkungan yang luas. Komunikasi antar node melalui banyak jalur. Keuntungan dari jaringan ini, walaupun semua node mempunyai identitas masing-masing dan mempunyai kemampuan komputasi yang sama, tapi ada satu node yang bisa diset sebagai node kepala (group leader) yang mempunyai kemampuan tambahan yang tidak dimiliki node lain. Apabila node kepala mengalami gangguan atau rusak, fungsinya bisa diambil alih oleh node yang lain.
2.1.2 Protokol komunikasi dan routing
Topik mengenai protokol komunikasi dan routing sangat kompleks dan memerlukan studi serta pengetian yang baik. Beberapa dasar yang berguna untuk memahami jaringan sensor akan disajikan sebagai berikut.
Header. Setiap data umumnya mempunyai sebuah header yang berisi identitas node sumber, node tujuan, panjang paket data dan informasi lainnya. Ini digunakan node untuk memastikan rute yang akan dilalui. Dalam pesan encode, parity bit seringkali disertakan juga untuk mengecek kesalahan pembacaan pesan. Dalam packet routing networks, tiap pesan dipecah dalam beberapa paket dengan panjang yang pasti. Peket-paket itu kemudian dikirim terpisah dan kemudian disatukan kembali saat sampai ditujuan. Penetapan panjang paket yang jelas, akan memudahkan peroutingan dan menghasilkan QoS yang baik. Umumnya, komunikasi suara menggunakan rangkaian switching, sedangkan pada komunikasi data menggunakan packet routing. Sebagai tambahan pada isi pesan, pada beberapa protokol, node mengirimkan special frame untuk melaporkan dan mengidentifikasi kondisi yang salah. Hal ini memungkinkan jaringan untuk mengkonfigurasi kembali data karena kesalahan yang terjadi Special frame yang lain bisa berupa paket pencarian rute yang mengalir lewat semua jalur node untuk identifikasi rute terpendek serta rute yang gagal. Dalam beberapa skema, paket khusus kembali ke node sumber untuk melaporkan rute terbaik yang bisa dipakai untuk mengirim pesan. Saat node mau mengirim pesan, proses handshaking dengan node tujuan digunakan untuk kehandalan. Dalam proses ini, node sumber dan node tujuan membangkitkan sinyal ‘request to send’, ‘ready to receive’,’send message’,’message received’. Handshaking dipakai untuk menjamin QoS dan mengirim kembali pesan yang gagal diterima.
Switching. Kebanyakan jaringan komunikasi menggunakan teknik switching store and forward untuk mengontrol aliran informasi. Setiap kali data sampai di node, langsung disimpan di memori dan diteruskan secara keseluruhan. Banyak teknik switching termasuk wormhole yang memotong pesan menjadi unit kecil dan dikenal sebagai unit pengontrol aliran. Teknik switching lain yang populer adalah virtual-cut-through, dimana saat header tiba pada sebuah node, langsung diteruskan ke rutenya tanpa menunggu keseluruhan paket.
Multiple Acccess Protocols. Saat banyak node ingin mengirimkan pesan, protokol dibutuhkan untuk menghindari tabrakan dan kehilangan data. Pada skema ALOHA, node akan membangkitkan sinyal permintaan mengirimkan pesan dan akan mulai mengirimkan saat menerima sinyal siap menerima pesan. Bila belum mendapat sinyal siap menerima pesan, maka node akan menunggu sampai waktu tertentu sampai sinyal tersebut muncul. Pada Frequency Division Multiple Access (FDMA), tiap node mempunyai frekuensi pembawa yang berbeda sehingga bandwidth yang tersedia akan terbagi. Pada Code Division Multiple Access (CDMA), kode yang unik dipakai tiap node untuk meng-encode pesannya. Hal ini menambah kompleksitas pada pemancar dan penerima. Pada Time Division Multiple Access (TDMA), jalur RF dibagi pada sumbu waktu, dengan tipa node diberikan slot waktu untuk berkomunikasi. Ini mengurangi waktu nilai pencarian, tapi kelebihan umum TDMA adalah bisa diimplementasikan dalam software. Semua node harus mempunyai clock yang sinkron.
Open System Interconection Reference Model (OSI/RM). Standar Internasional untuk arsitektur OSI/RM menjelaskan hubungan antara pesan yang dikirim dalam suatu jaringan komunikasi dan program aplikasi yang dijalankan pengguna. Pengembangan standar tebuka ini telah memicu pengembangan banyak standar sistem informasi yang saling kompatibel. Gambar 2.2 menunjukkan tujuh tingkat OSI/RM yang berdiri sendiri dan bisa dimodifikasi tanpa mempengaruhi tingkat yang lain.
Gambar 2.2 Open System Interconection Reference Model, (Lewis,F.L. 2004)
Transport Layer menyediakan deteksi dan koreksi kesalahan. Routing dan flow control juga berlaku dalam Network Layer. Physical Layer mewakili interkoneksi jalur komunikasi hardware terkini. Application Layer program yang dijalankan pengguna.
Routing. Sejak jaringan mempunyai banyak node dan melayani berbagai pesan, tiap node saling membagi informasi, maka banyak keputusan yang harus diambil. Ada banyak jalur atau rute yang bisa ditempuh dari node sumber ke node tujuan, sehingga routing menjadi topik yang penting. Hal penting dalam routing adalah hasil keluaran (Quantity of Service) dan rata-rata paket tertunda (Quality of Service). Skema routing juga harus bisa menghindari deadlock dan livelock. Metode routing dapat diperbaiki, mampu beradaptasi, terpusat, tersebar dan dapat dipancarkan. Contoh model routing yang sederhana adalah token ring. Data terus berputar dalam topologi ring. Saat node akan mengirim pesan, node menagkap token dan menempelkan pesan dan dibawa berputar dalam ring oleh token. Saat mendekati node tujuan, informasi header dibaca dan node tujuan mengambil data yang ditujukan kepadanya. Dalam beberapa skema, setelah mengambil data, node menempelkan pesan “message received” pada token yang nantinya akan dibaca sebagai konfirmasi pada node pengirim. Setelah itu, token dilepaskan untuk menerima informasi dari node yang lain.Token ring benar-benar adalah skema terpisah yang secara efektif menggunakan TDMA yang sangat handal walaupun banyak menghabiskan kapasitas jaringan karena harus berputar mengelilingi ring untuk tiap pesan, sehingga muncul beberapa modifikasi untuk skema ini termasuk penggunaan beberapa token, antara lain Fixed Routing Schemes. Pada skema ini, kadang menggunakan routing table yang mencatat node berikut untuk dilalui, memberikan lokasi pesan dan node tujuan. Routing table bisa sangat besar karena jaringan yang besar dan node yang banyak sehingga tidak bisa dibuat real time yang dapat menyebabkan kegagalan jalur, node dengan delay yang panjang atau jalur yang padat.. Adaptive Routing Schemes, tergantung pada status jaringan dan dapat menyebabkan kinerja perhitungan yang bervariasi, termasuk ongkos transmisi lewat sambungan, kehandalan jalur dan waktu transmisi serta kegagalan sambungan node. Algoritma routing bisa berbasis pada bermacam analisa jaringan dan konsep teori grafik dalam ilmu komputer seperti a-star tree search, atau dalam riset operasi (Broson, 1997) termasuk rute terpendek, aliran maksimal dengan masalah yang paling sedikit. Routing mirip dengan program dinamis dan problem kontrol optimal dalam teori kontrol feedback (Lewis dan Syrmos, 1995). Skema rute jalur terpendek mencari rute terpendek dari semua node tujuan ke node sumber. (centralized) atau mencari rute terpendek dari semua node sumber ke node tujuan. (decentralized) Jika biaya berkaitan dengan panjang sambungan, algoritma ini dapat menghitung rute dengan biaya paling rendah.
Deadlock and livelock. Jaringan komunikasi berskala besar berisi lingkaran jalur dari node-node yang berfungsi sebagai node sumber pembagi informasi dan dapat mengatur banyak aliran pesan atau informasi dari node-node yang berbeda. Kondisi deadlock dapat terjadi bila semua node dalam keadaan siap mengirim dan saling menunggu sehingga semua transmisi dalam lingkaran menjadi macet. Livelock adalah kondisi dimana data terus berputar dalam lingkaran dan tidak pernah sampai ditujuan karena pengalihan pesan pada sambungan yang lain tanpa memasukkannya ketabel rute.
Flow control. Dalam jaringan, tiap node mempunyai buffer yang menjadi tempat penyimpanan pesan sementara.. Kegunaan dari flow control adalah menjaga jaringan dari kelebihan beban informasi dan mengontrol kecepatan aliran data serta menghindari kondisi deadlock. Jika sebuah node mempunyai data penting untuk dikirimkan, pesan akan dikirim mengelilingi jaringan sebagai tanda untuk node yang lain untuk memberikan prioritas pada yang mempunyai data penting untuk memakai jalur. Skema routing yang lebih baik telah dikembangkan untuk menghindari hal diatas, antara lain : buffer management, yaitu pemberian tempat khusus dalam buffer untuk keperluan khusus. Dalam choke packet schemes, node yang mempunyai data prioritas mengirimkan sinyal ke node lain agar mengurangi pemakaian jalur komunikasi. Isarithmic schemes mempunyai nomor ijin tetap untuk jaringan. Pesan dapat dikirim jika node mempunyai nomor ijin. Dalam skema window atau kanban , node penerima memberikan tempat dan jalur pada node pengirim jika mempunyai ruang bebas yang cukup pada buffer. Dalam skema Transmission Control Protocol (Tahoe dan Reno) , node sumber meningkatkan nilai transmisinya selama semua pesannya diketahui. Jika terdeteksi ada paket yang hilang, nilai transmisi akan berkurang.
2.1.3 IEEE 1451 dan smart sensor
Sensor yang dipakai pada jaringan sensor adalah piranti yang digunakan untuk mengumpulkan informasi yang dibutuhkan dan biasanya ditempatkan di dalam bangunan, peralatan-peralatan, industri, rumah, geladak kapal, otomasi sistem transportasi, atau di tempat lain. Penanggulangan serangan teroris dan gangguan kejahatan atau peperangan, memerlukan jaringan terdistribusi dari sensor-sensor yang dapat disebarkan dari udara menggunakan pesawat terbang, dan mempunyai kemampuan pengaturan diri sendiri. Dalam aplikasi-aplikasi seperti diatas, penggunaan kawat atau pemasangan kabel adalah sangat tidak praktis. Suatu jaringan sensor seharusnya mudah diinstal dan dipelihara. Fungsi dari node sensor yang diinginkan adalah mudah diinstal, mampu mengidentifikasi dan mendiagnosa diri sendiri, handal, mampu berkoordinasi dengan node yang lain, beberapa fungsi perangkat lunak dan Digital Signal Processing (DSP) serta memenuhi standar protokol kontrol dan antar muka jaringan (IEEE 1451) yang adalah standar yang dikeluarkan IEEE untuk mengatur smart sensor network sehingga banyak varian sensor yang diproduksi perusahaan yang berbeda dapat saling kompatibel.
Secara umum smart sensor harus menyediakan fungsi tambahan untuk membangkitkan sinyal koreksi hasil penginderaan, termasuk pengolahan sinyal, pengambilan keputusan dan atau fungsi alarm. Model umum dari smart sensor ditunjukkan pada Gambar 2.3. Sasaran dari smart sensor berada sedekat mungkin dengan titik pengukuran sehingga lebih efektif dalam pemeliharaan semua sensor yang disebar, pengontrolan, pengolahan dan komunikasi
Gambar 2.3 Model umum smart sensor, (Lewis,F.L. 2004)
2.1.3.1 Dasar sensor
Pada dasarnya, sensor adalah sebuah tranduser yang mengubah suatu energi menjadi energi lain. Dalam aplikasi ini, tranduser mengubah suatu nilai kuantitas yang diindera menjadi suatu sinyal yang dapat diukur dan diolah. Dengan adanya sistem signal conditioning (SC) dan Digital Signal Processing (DSP) yang diaplikasikan dalam rangkaian elektronik, maka keluaran tranduser yang berguna bagi jaringan sensor adalah berupa tegangan dan arus. Sensor jenis Microelectromechanical Systems (MEMS) adalah jenis yang banyak dipakai dan tersedia untuk hampir semua penginderaan dalam jaringan nirkabel. (Lewis,F.L. 2004). Sensor secara umum dapat digolongkan sebagai berikut : Mechanical sensor yang akan bereaksi terhadap kontak fisik, dengan jenis piezoresistive effect, piezoelctric effect, tunneling sensing, capacitive sensors dan inductive sensors. Magnetic and electromagnetic sensors, tidak memerlukan kontak fisik secara langsung, dengan jenis hall effect, magnetoresistive effect, magnetic field sensors dan eddy-current sensors. Thermal sensors adalah jenis sensor yang mendeteksi temperatur atau flux panas, dengan varian thermo-mechanical transduction, thermorsistive effects, thermocouples dan resonant temperature sensors. Optical tranducers yang mengubah cahaya menjadi kuantitas yang bervariasi sehingga dapat dihitung denga jenis photoelectric effect, photoconductive sensors, juction-based photosesors, photovoltaic effect, thermopiles dan sollar cells. Chemical and biological tranducers yang mendeteksi semua jenis benda padat, cairan dan gas, dengan jenis chemiresistors, metal-oxide gas sensors, electrochemical transducers dan biosensors. Electromagnetic sensors yang mendeteksi panjang gelombang. Acoustic sensors yang mendeteksi suara.
2.2 Pengenalan Wireless Sensor Network
Wireless Sensor Network (WSN) terdiri dari sekumpulan besar sensor berukuran kecil dengan berbagai kemampuan untuk merasakan atau mengindera sesuatu seperti getaran, cahaya, suhu, medan magnet dan akustik yang berada disekitar daerah yang dipantau. Kumpulan sensor ini bertujuan untuk mengumpulkan data-data spesifik yang diperlukan untuk mengontrol kondisi di suatu daerah. Data hasil pengideraan dikirim ke suatu stasiun kendali atau dikenal sebagai sink untuk diproses dan dianalisa, adalah hasil kerja sama atau komunikasi antar WSN (node) dengan cara multi-hop , seperti pada Gambar 2.4. Yang dimaksud dengan multi-hop adalah komunikasi antar sensor dengan sink yang berada diluar jangkauannya lewat sensor lain yang terdekat pada jangkauan, kemudian diteruskan secara berantai ke sensor berikutnya, sehingga informasi dapat sampai pada sink. Demikian sebaliknya.
Gambar 2.4 Topologi dasar WSN, (Severino, R. dkk. 2006)
2.2.1 Keunggulan dan keterbatasan WSN
Sebuah WSN terdiri dari ratusan atau ribuan sensor board (node) yang murah yang sudah ditetapkan lokasinya atau bisa juga disebarkan secara acak untuk memonitor suatu lingkungan yang areanya luas. Karena ukurannya yang kecil dan jumlahnya yang banyak, sebuah WSN dapat menyediakan data sensor yang akurat. Dalam hal ini, toleransi kesalahan dapat ditekan dengan membandingkan informasi dari sensor yang saling berdekatan. Sensor yang banyak dapat saling berkomunikasi lewat radio atau lewat kabel. Pengelompokan sensor juga memungkinkan sensor board lebih fokus pada area atau kejadian yang lebih spesifik dan mengumpulkan serta membagi informasi yang relevan saja. Selain itu, WSN juga tidak memerlukan terlalu banyak campur tangan manusia sehingga mengurangi system interupt, dapat dioperasikan pada daerah yang rawan, serta dapat dijadwal secara dinamis. Tapi ukurannya yang kecil juga berimplikasi pada keterbatasan energi karena dalam satu paket tidak hanya memuat baterry, panel solar cell atau beberapa sumber energi berukuran kecil lainnya, tapi juga beberapa komponen elektronik dan sensor itu sendiri. Selain itu sebuah single sensor board juga mempunyai keterbatasan dalam kemampuan penginderaan , pemrosesan data, memory penyimpan dan jarak komunikasi.
2.2.2 Aplikasi jaringan sensor
Jaringan sensor sangat berguna diberbagai bidang. Bidang-bidang utama dimana sensor disebarkan adalah :
- Pengamatan Lingkungan : Jaringan sensor dapat digunakan untuk mengawasi perubahahan. Contohnya adalah deteksi polusi air sungai yang berlokasi dekat pabrik kimia. Node sensor dapat disebarkan secara acak ditempat yang tidak diketahui dan tidak bersahabat serta dapat mencari tahu lokasi polusi dengan tepat, sehingga dapat dilakukan tindakan pencegahan. Contoh lain pendeteksian polusi udara, monitoring habitat binatang serta monitoring salju atau lahan kritis untuk mencegah dan menghindari terjadinya longsoran.
- Pemantauan Militer : Jaringan sensor untuk pengawasan pertempuran, dimana sensor digunakan untuk memonitor jejak kendaraan, posisi musuh, bahkan melindungi peralatan dari sebaran sensor.
- Pemantauan Gedung : Sensor dapat digunakan pada gedung besar atau pabrik untuk memonitor perubahan iklim. Thermostat dan sensor suhu disebarkan diseluruh gedung. Sebagai tambahan, sensor dapat digunakan untuk memantau getaran yang dapat merusak struktur bangunan.
- Pelayanan Kesehatan : Sensor dapat digunakan pada aplikasi biomedikal untuk meningkatkan mutu pelayanan. Sensor juga dapat ditanamkan dalam tubuh untuk memonitor masalah kesehatan seperti kanker dan membantu pasien menjaga kesehatannya.
- Pemantauan keamanan : Motion sensors yang dikombinasikan dengan automatic lock dapat digunakan untuk memantau keamanan suatu gedung atau ruangan dari tindakan kejahatan
2.3 Dasar protokol MAC
Protokol Medium Access Control (MAC) adalah protokol pertama yang berada diatas physical layer (PHY) yang sangat mempengaruhi MAC. Tugas dasar MAC adalah mengatur akses semua node ke medium pembagi berdasarkan permintaan yang nantinya berpengaruh pada beberapa kriteria seperti penggunaan energi sesedikit mungkin, low access delay (waktu antara datangnya paket dan pertama kali dikirim) dan low transmission delay (waktu antara datangnya paket dan berhasil dikirim sampai tujuan), throughput efficiency, stability dan fairness dengan overhead serendah mungkin. Diantara referensi model OSI, MAC dianggap sebagai bagian Data Link Layer (DLL) tapi ada perbedaan tugas yang jelas antara MAC dengan bagian DLL yang lain. Kerja protokol MAC dibatasi pada pengaturan node yang akan mengakses medium untuk mentransfer data, kontrol atau mengatur paket ke node yang lain (unicast) atau ke banyak node (multicast , broadcast) . Dua tanggung jawab penting yang tersisa yaitu error control dan flow control akan ditangani oleh DLL yang lain. Error control dipakai untuk memastikan tidak ada kesalahan saat pengiriman dan mengambil tindakan yang sesuai saat ditemukan kesalahan dalam paket data, sedangkan flow control mengatur tingkat transmisi untuk mencegah terjadinya penumpukan data yang antri akibat penerima yang lambat.
2.3.1 Syarat dan batasan desain untuk protokol wireless MAC
Syarat yang paling penting untuk protokol MAC adalah dapat mengatur akses semua node ke medium pembagi berdasarkan permintaan yang nantinya berpengaruh pada beberapa kriteria seperti penggunaan energi sesedikit mungkin, low access delay (waktu antara datangnya paket dan pertama kali dikirim) dan low transmission delay (waktu antara datangnya paket dan berhasil dikirim sampai tujuan), throughput efficiency, stability dan fairness dengan overhead serendah mungkin. Overhead pada protokol MAC dapat terjadi karena per-packet overhead (MAC headers paket datanya), collision atau pertukaran dari paket kontrol ekstra. Collision terjadi bila protokol MAC mengijinkan dua node mengirimkan data ke satu alamat yang sama pada waktu yang sama, sehingga node penerima gagal mendekode paket data yang datang dan layer diatasnya mengirimkan kembali paket yang sama. Pada saat kritis, bisa terjadi konsep prioritas yaitu paket yang lebih penting yang diproses terdahulu. Kinerja protokol MAC sangat tergantung pada peralatan yang ada pada physical layer. Karena menggunakan medium, WSN mengalami kendala yang dikenal dengan wireless transmission problems), yaitu hidden terminal problem dan exposed terminal scenario. Hidden terminal problem adalah kejadian dimana minimal ada tiga node, seperti pada Gambar 2.5, misalkan A, B, C.
Gambar 2.5 Hiden dan expose terminal scenario, (Karl H. dkk, 2005)
PENDAHULUAN
1.1 Latar belakang
Indonesia adalah negara yang sedang berkembang di berbagai bidang. Pembangunan pemukiman, infrastruktur dan industri yang pesat harus diimbangi dengan ketersediaan sumber tenaga listrik sebagai salah satu pendukung beroperasinya semua sarana yang telah dibangun. Sayangnya daya listrik yang tersedia kurang mencukupi, sehingga pemerintah menyerukan penghematan pemakaian listrik dan melakukan penyesuaian tarif dasar listrik serta pemutusan aliran listrik secara bergiliran apabila ada mesin pembangkit listrik yang bermasalah karena harus beroperasi tanpa henti untuk menyediakan suplai listrik. Untuk kalangan pemakai rumahan, perkantoran, perhotel dan pabrikan serta fasilitas umum lainnya, sering dijumpai beberapa alat listrik masih tetap hidup walaupun tidak dipakai, seperti lampu yang menyala terus disiang hari, AC, TV, komputer dan lain-lain yang tetap hidup walaupun tidak dipakai. Hal yang kelihatannya sepele ini, selain suatu pemborosan, juga memperpendek umur pakai alat-alat listrik tersebut. Jika 10% saja perilaku diatas terjadi di Indonesia, bisa dibayangkan berapa jumlah energi listrik dan biaya yang terbuang percuma untuk hal yang tidak perlu. Pengoperasian peralatan listrik tanpa pemantauan juga memungkinkan terjadinya hal-hal yang tidak diinginkan seperti kebakaran akibat hubungan arus pendek dan lain-lain.. Untuk itu diperlukan suatu otomatisasi pengontrolan terhadap pengoperasian alat listrik pada suatu gedung dengan menempatkan beberapa sensor sebagai pengindra dan pemantau kapan seharusnya alat listrik tersebut beroperasi dan bisa dikontrol dari jarak jauh. Dengan adanya pengontrolan secara otomatis ini, sebuah gedung dapat terlihat lebih ‘cerdas’, dan rumah lebih terasa nyaman. Parameter-parameter yang dipantau dan diindera oleh sensor adalah berupa gerakan, getaran, temperatur, cahaya, akustik, kelembaban, dan medan magnet. Nilai dari parameter-parameter yang dipantau tadi, bisa dipakai untuk menghidupkan atau mematikan suatu peralatan listrik. Misalkan, sebuah sensor dipasang untuk memantau dan mengindera cahaya dan temperatur dalam suatu ruangan. Bila kondisi pencahayaan dan temperatur dalam ruangan tersebut melebihi nilai pencahayaan dan temperatur yang telah ditentukan, maka sensor akan mematikan peralatan listrik yang berhubungan dengan cahaya serta suhu yang tersambung ke sensor, misalnya lampu dan AC. Demikian juga sebaliknya. Untuk sensor getaran dan akustik, bisa dipakai untuk memantau kinerja suatu mesin. Bila suatu saat sensor mendeteksi adanya getaran serta bunyi yang melebihi range yang sudah ditentukan, maka sensor akan mematikan mesin untuk menghindari hal yang tidak diinginkan. Sensor gerakan dan medan magnet dapat dipakai untuk menghidupkan atau mematikan alat listrik seperti lampu, oven listrik, rice cooker dan lain-lain. Skenarionya adalah bila sensor gerakan mendeteksi adanya gerakan atau sensor magnetis yang dipasang pada ketinggian tertentu terpotong medan magnetnya maka lampu akan menyala dan akan kembali padam setelah tidak ada aktifitas dalam ruangan lagi. Semua jenis sensor dapat diatur dan dirancang sesuai kebutuhan. Teknologi wireless yang semakin berkembang, bervariasi dan pemakaiannya sudah sangat luas dihampir semua bidang, dapat dimanfaatkan untuk pengontrolan ini. Ada teknologi Bluetooth (IEEE 802.15.1), ZigBee (IEEE 802.15.4), WiFi(IEEE 802.11b). Semuanya mempunyai market masing-masing dan jika dibandingkan, mempunyai kelebihan dan kekurangan .
Wireless Sensor Network (WSN) berbasis ZigBee merupakan salah satu cara yang tepat untuk mengimplementasikan suatu gedung yang ‘cerdas’. ZigBee adalah IEEE 802.15.4 yang dimodifikasi oleh ZigBee Alliance untuk otomatisasi peralatan listrik dalam rumah yang bekerja dalam bit rate yang rendah, terkoordinir serta sangat hemat energi dalam pengoperasiannya. Jika dibandingkan dengan Bluetooth yang dirancang untuk komunikasi suatu peralatan denga PC ( Personal Computer ) dan mempunyai anggota jaringan yang terbatas. IEEE 802.11 bekerja dalam bitrate yang tinggi dan membutuhkan infrastruktur yang mahal serta membiarkan anggota jaringan memperebutkan sumber daya yang ada sehingga keamanan data dapat terganggu. Dari perbandingan diatas, jelas ZigBee lebih unggul untuk penerapan pada HAS. Gambar 1.1 dan Gambar 1.2 mengilustrasikan WSN berbasis ZigBee.
Gambar 1.1 Contoh rumah yang memakai ZigBee Diagnose (www.freescale.com/zigbee)
Gambar 1.2 Penggunaan WSN ZigBee HA dalam rumah (Ramon , C.,2005)
1.2 Perumusan masalah
Seringnya terjadi peristiwa yang tidak diinginkan seperti pencurian, kebakaran yang diakibatkan oleh kesalahan atau kelalaian dalam pengoperasian peralatan listrik yang berlebihan serta penggunaan yang tidak terkontrol, juga kondisi dalam ruangan yang kurang nyaman akibat suhu serta intensitas cahaya yang kurang pas, pemborosan energi listrik dengan percuma yang menyebabkan tagihan listrik melonjak, menimbulkan tantangan yaitu bagaimana membuat Home Automation System (HAS) dimana suatu gedung atau rumah menjadi lebih “cerdas” dan mampu mengontrol penggunaan peralatan listrik dalam lingkungannya sehingga tempat tersebut menjadi aman dan nyaman dengan mengimplementasikan teknologi WSN yang disesuaikan dengan kondisi perumahan di Indonesia.
HAS adalah suatu sistem yang terdiri dari sensor-sensor, aktuator, tampilan dan berbagai peralatan yang dianggap sebagai node, yang saling terhubung untuk memantau dan mengontrol peralatan listrik dalam rumah. Fungsi kontrol dilakukan secara otomatis, kecuali untuk beberapa kesalahan yang tidak dapat ditangani oleh sistem. Dalam aplikasinya, jaringan HAS dapat melakukan pemantauan keamanan seperti alarm kebakaran dan detektor asap, pengontrolan seperti pengaturan suhu dalam ruangan, pencahayaan dan peralatan hiburan seperti perangkat audio dan video. HAS juga sangat membantu aktifitas harian para manula, orang cacat dan orang sakit yang ditinggalkan sendirian dirumah, misalnya dalam hal membuka atau menutup pintu atau jendela, mengatur penerangan dan suhu, melakukan panggilan darurat, mematikan kompor listrik secara otomatis, memperingatkan waktu makan, minum obat dan istirahat dan jadwal lainnya.
Karena ada berbagai jenis perumahan di Indonesia dengan kebiasaan penghuninya yang beragam pula, maka dalam implementasi HAS ini juga disesuaikan dengan tipe rumah. Untuk rumah tipe besar khususnya dalam kompleks perumahan mewah, dibutuhkan lebih banyak sensor dan ditekankan pada keamanan. Alasannya adalah penghuninya sedikit, rumah sering ditinggalkan pemiliknya untuk waktu yang lama, kurangnya interaksi antar warga perumahan, banyak peralatan elektronik dan barang mewah, sehingga rawan terhadap pencurian. Untuk rumah tipe sedang atau kecil, baik di lingkungan pemukiman biasa ataupun perumahan, rancangan HAS lebih sederhana dan ditekankan pada penghematan energi karena rumah jarang ditinggalkan sehingga peralatan listrik lebih sering terpakai. Intinya adalah rancangan HAS sangat fleksibel sehingga bisa disesuaikan dengan kebutuhan. Dalam penelitian ini diasumsikan bahwa HAS akan diimplementasikan pada rumah yang besar dan bertingkat atau apartemen. Lingkup penelitian adalah dengan melakukan studi literatur, bagaimana membuat simulasi dan prototipe WSN ZigBee untuk Home Automation System (HAS) dengan topologi mesh dan protokol Medium Access Control (MAC) serta membuat program pengontrolan dengan TinyOS. Topologi mesh dipilih karena cocok untuk jaringan dengan banyak node sensor terkontrol yang disebarkan dalam daerah yang luas.
1.3 Tujuan dan manfaat penelitian
Tujuan penelitian ini adalah bagaimana membuat suatu gedung menjadi “cerdas”, yang dapat memperkirakan, mencegah dan mengatasi suatu masalah, khususnya dalam me-manage penggunaan alat listrik secara tepat, efektif dan efisien dengan menggunakan WSN berbasis ZigBee, sehingga pemborosan penggunaan listrik dapat dikurangi dan membuat umur pakai alat listrik lebih lama. Selain itu, lingkungan dalam gedung tersebut terasa lebih nyaman dan aman, karena ada jaringan sensor yang mendeteksi kelembapan, temperatur, cahaya, suara, medan magnet, gataran, tekanan, gerakan dan lain-lain dalam suatu gedung. Dengan semua kemudahan yang diperoleh dengan implementasi HAS ini, akan sangat membantu aktifitas harian para manula, orang sakit, orang cacat atau anak kecil yang ditinggal sendirian dirumah. Tujuan khusus penelitian ini adalah mencari protokol WSN ZigBee yang cocok dalam hal efisiensi throughput, time delay, keamanan data, akurasi data, kecepatan akses dan pengunaan energi, untuk diimplementasikan pada rancangan HAS yang cocok dengan kondisi dan tipe perumahan di Indonesia khususnya rumah bertipe besar dan bertingkat..
BAB 2
KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1 Jaringan Komunikasi
Untuk dapat memahami dan menerapkan WSN, perlu dibekali dengan beberapa pengetahuan dan konsep dasar tentang komunikasi jaringan.
2.1.1 Topologi Jaringan
Hal mendasar dalam jaringan komunikasi adalah cara pengiriman pesan agar menghasilkan keluaran pesan yang jelas (Quantity of Service dan Quality of Service (QoS)). QoS dapat dipisah menurut tundaan pesan (message delay), waktu pesan, kesalahan pesan (Bit Error Rate (BER)), paket yang hilang (packet loss), biaya pengiriman yang ekonomis, daya pancar dan lain-lain. Dengan pertimbangan QoS, lingkungan instalasi, kehandalan, biaya dan aplikasi, salah satu dari beberapa topologi dasar jaringan dibawah ini dapat dipakai. Sebuah jaringan komunikasi terdiri dari node – node yang dapat mengirim dan menerima data melalui jalur komunikasi (communication links) yang menggunakan kabel (wired) atau tanpa kabel (wireless). Topologi dasar jaringan komunikasi seperti pada Gambar 2.1 adalah koneksi jenis star, ring, bus, tree, fully connected dan mesh.
Gambar 2.1 Topologi dasar jaringan, (Lewis,F.L. 2004)
Pada topologi star, semua node terhubung ke sebuah node utama yang mempunyai kemampuan lebih dalam menangani data, routing dan pengambilan keputusan dibanding node yang lain. Jika jalur komunikasi terputus, hanya berpengaruh pada node yang jualurnya terputus. Tetapi, jaringan akan tidak bekerja apabila node utamanya rusak. Pada topologi ring , semua node memiliki derajat yang sama. Data secara umum bergerak dalam satu arah. Bila jalur terputus, semua komunikasi macet. Pada topologi bus , node mengambil data dari bus. Setiap paket data mengandung informasi alamat tujuan data yang nantinya akan dikenali dan diambil untuk diproses oleh node tujuan. Pada topologi tree, tiap node berfungsi sebagai node kepala dan node anggota, yang tersusun berantai. Ada sebuah node kepala yang mempunyai beberapa anggota yang mengepalai beberapa anggota dan seterusnya. Data dikirim berantai dari node anggota ke node kepala diatasnya dan sebaliknya. Pada topologi fully connected, semua node berhubungan dengan node lain secara langsung. Semakin banyak node, semakin banyak jalur komukasi yang ada sehingga routingnya menjadi semakin kompleks dan menurunkan kemampuan komputansi node. Pada topologi mesh, node tersebar dan komunikasi data antar node dikirim bertahap melalui node terdekatnya. Semua node pada jaringan ini sudah ada identitas pengenalnya. Topologi ini cocok untuk jaringan node yang banyak atau WSN yang tersebar di lingkungan yang luas. Komunikasi antar node melalui banyak jalur. Keuntungan dari jaringan ini, walaupun semua node mempunyai identitas masing-masing dan mempunyai kemampuan komputasi yang sama, tapi ada satu node yang bisa diset sebagai node kepala (group leader) yang mempunyai kemampuan tambahan yang tidak dimiliki node lain. Apabila node kepala mengalami gangguan atau rusak, fungsinya bisa diambil alih oleh node yang lain.
2.1.2 Protokol komunikasi dan routing
Topik mengenai protokol komunikasi dan routing sangat kompleks dan memerlukan studi serta pengetian yang baik. Beberapa dasar yang berguna untuk memahami jaringan sensor akan disajikan sebagai berikut.
Header. Setiap data umumnya mempunyai sebuah header yang berisi identitas node sumber, node tujuan, panjang paket data dan informasi lainnya. Ini digunakan node untuk memastikan rute yang akan dilalui. Dalam pesan encode, parity bit seringkali disertakan juga untuk mengecek kesalahan pembacaan pesan. Dalam packet routing networks, tiap pesan dipecah dalam beberapa paket dengan panjang yang pasti. Peket-paket itu kemudian dikirim terpisah dan kemudian disatukan kembali saat sampai ditujuan. Penetapan panjang paket yang jelas, akan memudahkan peroutingan dan menghasilkan QoS yang baik. Umumnya, komunikasi suara menggunakan rangkaian switching, sedangkan pada komunikasi data menggunakan packet routing. Sebagai tambahan pada isi pesan, pada beberapa protokol, node mengirimkan special frame untuk melaporkan dan mengidentifikasi kondisi yang salah. Hal ini memungkinkan jaringan untuk mengkonfigurasi kembali data karena kesalahan yang terjadi Special frame yang lain bisa berupa paket pencarian rute yang mengalir lewat semua jalur node untuk identifikasi rute terpendek serta rute yang gagal. Dalam beberapa skema, paket khusus kembali ke node sumber untuk melaporkan rute terbaik yang bisa dipakai untuk mengirim pesan. Saat node mau mengirim pesan, proses handshaking dengan node tujuan digunakan untuk kehandalan. Dalam proses ini, node sumber dan node tujuan membangkitkan sinyal ‘request to send’, ‘ready to receive’,’send message’,’message received’. Handshaking dipakai untuk menjamin QoS dan mengirim kembali pesan yang gagal diterima.
Switching. Kebanyakan jaringan komunikasi menggunakan teknik switching store and forward untuk mengontrol aliran informasi. Setiap kali data sampai di node, langsung disimpan di memori dan diteruskan secara keseluruhan. Banyak teknik switching termasuk wormhole yang memotong pesan menjadi unit kecil dan dikenal sebagai unit pengontrol aliran. Teknik switching lain yang populer adalah virtual-cut-through, dimana saat header tiba pada sebuah node, langsung diteruskan ke rutenya tanpa menunggu keseluruhan paket.
Multiple Acccess Protocols. Saat banyak node ingin mengirimkan pesan, protokol dibutuhkan untuk menghindari tabrakan dan kehilangan data. Pada skema ALOHA, node akan membangkitkan sinyal permintaan mengirimkan pesan dan akan mulai mengirimkan saat menerima sinyal siap menerima pesan. Bila belum mendapat sinyal siap menerima pesan, maka node akan menunggu sampai waktu tertentu sampai sinyal tersebut muncul. Pada Frequency Division Multiple Access (FDMA), tiap node mempunyai frekuensi pembawa yang berbeda sehingga bandwidth yang tersedia akan terbagi. Pada Code Division Multiple Access (CDMA), kode yang unik dipakai tiap node untuk meng-encode pesannya. Hal ini menambah kompleksitas pada pemancar dan penerima. Pada Time Division Multiple Access (TDMA), jalur RF dibagi pada sumbu waktu, dengan tipa node diberikan slot waktu untuk berkomunikasi. Ini mengurangi waktu nilai pencarian, tapi kelebihan umum TDMA adalah bisa diimplementasikan dalam software. Semua node harus mempunyai clock yang sinkron.
Open System Interconection Reference Model (OSI/RM). Standar Internasional untuk arsitektur OSI/RM menjelaskan hubungan antara pesan yang dikirim dalam suatu jaringan komunikasi dan program aplikasi yang dijalankan pengguna. Pengembangan standar tebuka ini telah memicu pengembangan banyak standar sistem informasi yang saling kompatibel. Gambar 2.2 menunjukkan tujuh tingkat OSI/RM yang berdiri sendiri dan bisa dimodifikasi tanpa mempengaruhi tingkat yang lain.
Gambar 2.2 Open System Interconection Reference Model, (Lewis,F.L. 2004)
Transport Layer menyediakan deteksi dan koreksi kesalahan. Routing dan flow control juga berlaku dalam Network Layer. Physical Layer mewakili interkoneksi jalur komunikasi hardware terkini. Application Layer program yang dijalankan pengguna.
Routing. Sejak jaringan mempunyai banyak node dan melayani berbagai pesan, tiap node saling membagi informasi, maka banyak keputusan yang harus diambil. Ada banyak jalur atau rute yang bisa ditempuh dari node sumber ke node tujuan, sehingga routing menjadi topik yang penting. Hal penting dalam routing adalah hasil keluaran (Quantity of Service) dan rata-rata paket tertunda (Quality of Service). Skema routing juga harus bisa menghindari deadlock dan livelock. Metode routing dapat diperbaiki, mampu beradaptasi, terpusat, tersebar dan dapat dipancarkan. Contoh model routing yang sederhana adalah token ring. Data terus berputar dalam topologi ring. Saat node akan mengirim pesan, node menagkap token dan menempelkan pesan dan dibawa berputar dalam ring oleh token. Saat mendekati node tujuan, informasi header dibaca dan node tujuan mengambil data yang ditujukan kepadanya. Dalam beberapa skema, setelah mengambil data, node menempelkan pesan “message received” pada token yang nantinya akan dibaca sebagai konfirmasi pada node pengirim. Setelah itu, token dilepaskan untuk menerima informasi dari node yang lain.Token ring benar-benar adalah skema terpisah yang secara efektif menggunakan TDMA yang sangat handal walaupun banyak menghabiskan kapasitas jaringan karena harus berputar mengelilingi ring untuk tiap pesan, sehingga muncul beberapa modifikasi untuk skema ini termasuk penggunaan beberapa token, antara lain Fixed Routing Schemes. Pada skema ini, kadang menggunakan routing table yang mencatat node berikut untuk dilalui, memberikan lokasi pesan dan node tujuan. Routing table bisa sangat besar karena jaringan yang besar dan node yang banyak sehingga tidak bisa dibuat real time yang dapat menyebabkan kegagalan jalur, node dengan delay yang panjang atau jalur yang padat.. Adaptive Routing Schemes, tergantung pada status jaringan dan dapat menyebabkan kinerja perhitungan yang bervariasi, termasuk ongkos transmisi lewat sambungan, kehandalan jalur dan waktu transmisi serta kegagalan sambungan node. Algoritma routing bisa berbasis pada bermacam analisa jaringan dan konsep teori grafik dalam ilmu komputer seperti a-star tree search, atau dalam riset operasi (Broson, 1997) termasuk rute terpendek, aliran maksimal dengan masalah yang paling sedikit. Routing mirip dengan program dinamis dan problem kontrol optimal dalam teori kontrol feedback (Lewis dan Syrmos, 1995). Skema rute jalur terpendek mencari rute terpendek dari semua node tujuan ke node sumber. (centralized) atau mencari rute terpendek dari semua node sumber ke node tujuan. (decentralized) Jika biaya berkaitan dengan panjang sambungan, algoritma ini dapat menghitung rute dengan biaya paling rendah.
Deadlock and livelock. Jaringan komunikasi berskala besar berisi lingkaran jalur dari node-node yang berfungsi sebagai node sumber pembagi informasi dan dapat mengatur banyak aliran pesan atau informasi dari node-node yang berbeda. Kondisi deadlock dapat terjadi bila semua node dalam keadaan siap mengirim dan saling menunggu sehingga semua transmisi dalam lingkaran menjadi macet. Livelock adalah kondisi dimana data terus berputar dalam lingkaran dan tidak pernah sampai ditujuan karena pengalihan pesan pada sambungan yang lain tanpa memasukkannya ketabel rute.
Flow control. Dalam jaringan, tiap node mempunyai buffer yang menjadi tempat penyimpanan pesan sementara.. Kegunaan dari flow control adalah menjaga jaringan dari kelebihan beban informasi dan mengontrol kecepatan aliran data serta menghindari kondisi deadlock. Jika sebuah node mempunyai data penting untuk dikirimkan, pesan akan dikirim mengelilingi jaringan sebagai tanda untuk node yang lain untuk memberikan prioritas pada yang mempunyai data penting untuk memakai jalur. Skema routing yang lebih baik telah dikembangkan untuk menghindari hal diatas, antara lain : buffer management, yaitu pemberian tempat khusus dalam buffer untuk keperluan khusus. Dalam choke packet schemes, node yang mempunyai data prioritas mengirimkan sinyal ke node lain agar mengurangi pemakaian jalur komunikasi. Isarithmic schemes mempunyai nomor ijin tetap untuk jaringan. Pesan dapat dikirim jika node mempunyai nomor ijin. Dalam skema window atau kanban , node penerima memberikan tempat dan jalur pada node pengirim jika mempunyai ruang bebas yang cukup pada buffer. Dalam skema Transmission Control Protocol (Tahoe dan Reno) , node sumber meningkatkan nilai transmisinya selama semua pesannya diketahui. Jika terdeteksi ada paket yang hilang, nilai transmisi akan berkurang.
2.1.3 IEEE 1451 dan smart sensor
Sensor yang dipakai pada jaringan sensor adalah piranti yang digunakan untuk mengumpulkan informasi yang dibutuhkan dan biasanya ditempatkan di dalam bangunan, peralatan-peralatan, industri, rumah, geladak kapal, otomasi sistem transportasi, atau di tempat lain. Penanggulangan serangan teroris dan gangguan kejahatan atau peperangan, memerlukan jaringan terdistribusi dari sensor-sensor yang dapat disebarkan dari udara menggunakan pesawat terbang, dan mempunyai kemampuan pengaturan diri sendiri. Dalam aplikasi-aplikasi seperti diatas, penggunaan kawat atau pemasangan kabel adalah sangat tidak praktis. Suatu jaringan sensor seharusnya mudah diinstal dan dipelihara. Fungsi dari node sensor yang diinginkan adalah mudah diinstal, mampu mengidentifikasi dan mendiagnosa diri sendiri, handal, mampu berkoordinasi dengan node yang lain, beberapa fungsi perangkat lunak dan Digital Signal Processing (DSP) serta memenuhi standar protokol kontrol dan antar muka jaringan (IEEE 1451) yang adalah standar yang dikeluarkan IEEE untuk mengatur smart sensor network sehingga banyak varian sensor yang diproduksi perusahaan yang berbeda dapat saling kompatibel.
Secara umum smart sensor harus menyediakan fungsi tambahan untuk membangkitkan sinyal koreksi hasil penginderaan, termasuk pengolahan sinyal, pengambilan keputusan dan atau fungsi alarm. Model umum dari smart sensor ditunjukkan pada Gambar 2.3. Sasaran dari smart sensor berada sedekat mungkin dengan titik pengukuran sehingga lebih efektif dalam pemeliharaan semua sensor yang disebar, pengontrolan, pengolahan dan komunikasi
Gambar 2.3 Model umum smart sensor, (Lewis,F.L. 2004)
2.1.3.1 Dasar sensor
Pada dasarnya, sensor adalah sebuah tranduser yang mengubah suatu energi menjadi energi lain. Dalam aplikasi ini, tranduser mengubah suatu nilai kuantitas yang diindera menjadi suatu sinyal yang dapat diukur dan diolah. Dengan adanya sistem signal conditioning (SC) dan Digital Signal Processing (DSP) yang diaplikasikan dalam rangkaian elektronik, maka keluaran tranduser yang berguna bagi jaringan sensor adalah berupa tegangan dan arus. Sensor jenis Microelectromechanical Systems (MEMS) adalah jenis yang banyak dipakai dan tersedia untuk hampir semua penginderaan dalam jaringan nirkabel. (Lewis,F.L. 2004). Sensor secara umum dapat digolongkan sebagai berikut : Mechanical sensor yang akan bereaksi terhadap kontak fisik, dengan jenis piezoresistive effect, piezoelctric effect, tunneling sensing, capacitive sensors dan inductive sensors. Magnetic and electromagnetic sensors, tidak memerlukan kontak fisik secara langsung, dengan jenis hall effect, magnetoresistive effect, magnetic field sensors dan eddy-current sensors. Thermal sensors adalah jenis sensor yang mendeteksi temperatur atau flux panas, dengan varian thermo-mechanical transduction, thermorsistive effects, thermocouples dan resonant temperature sensors. Optical tranducers yang mengubah cahaya menjadi kuantitas yang bervariasi sehingga dapat dihitung denga jenis photoelectric effect, photoconductive sensors, juction-based photosesors, photovoltaic effect, thermopiles dan sollar cells. Chemical and biological tranducers yang mendeteksi semua jenis benda padat, cairan dan gas, dengan jenis chemiresistors, metal-oxide gas sensors, electrochemical transducers dan biosensors. Electromagnetic sensors yang mendeteksi panjang gelombang. Acoustic sensors yang mendeteksi suara.
2.2 Pengenalan Wireless Sensor Network
Wireless Sensor Network (WSN) terdiri dari sekumpulan besar sensor berukuran kecil dengan berbagai kemampuan untuk merasakan atau mengindera sesuatu seperti getaran, cahaya, suhu, medan magnet dan akustik yang berada disekitar daerah yang dipantau. Kumpulan sensor ini bertujuan untuk mengumpulkan data-data spesifik yang diperlukan untuk mengontrol kondisi di suatu daerah. Data hasil pengideraan dikirim ke suatu stasiun kendali atau dikenal sebagai sink untuk diproses dan dianalisa, adalah hasil kerja sama atau komunikasi antar WSN (node) dengan cara multi-hop , seperti pada Gambar 2.4. Yang dimaksud dengan multi-hop adalah komunikasi antar sensor dengan sink yang berada diluar jangkauannya lewat sensor lain yang terdekat pada jangkauan, kemudian diteruskan secara berantai ke sensor berikutnya, sehingga informasi dapat sampai pada sink. Demikian sebaliknya.
Gambar 2.4 Topologi dasar WSN, (Severino, R. dkk. 2006)
2.2.1 Keunggulan dan keterbatasan WSN
Sebuah WSN terdiri dari ratusan atau ribuan sensor board (node) yang murah yang sudah ditetapkan lokasinya atau bisa juga disebarkan secara acak untuk memonitor suatu lingkungan yang areanya luas. Karena ukurannya yang kecil dan jumlahnya yang banyak, sebuah WSN dapat menyediakan data sensor yang akurat. Dalam hal ini, toleransi kesalahan dapat ditekan dengan membandingkan informasi dari sensor yang saling berdekatan. Sensor yang banyak dapat saling berkomunikasi lewat radio atau lewat kabel. Pengelompokan sensor juga memungkinkan sensor board lebih fokus pada area atau kejadian yang lebih spesifik dan mengumpulkan serta membagi informasi yang relevan saja. Selain itu, WSN juga tidak memerlukan terlalu banyak campur tangan manusia sehingga mengurangi system interupt, dapat dioperasikan pada daerah yang rawan, serta dapat dijadwal secara dinamis. Tapi ukurannya yang kecil juga berimplikasi pada keterbatasan energi karena dalam satu paket tidak hanya memuat baterry, panel solar cell atau beberapa sumber energi berukuran kecil lainnya, tapi juga beberapa komponen elektronik dan sensor itu sendiri. Selain itu sebuah single sensor board juga mempunyai keterbatasan dalam kemampuan penginderaan , pemrosesan data, memory penyimpan dan jarak komunikasi.
2.2.2 Aplikasi jaringan sensor
Jaringan sensor sangat berguna diberbagai bidang. Bidang-bidang utama dimana sensor disebarkan adalah :
- Pengamatan Lingkungan : Jaringan sensor dapat digunakan untuk mengawasi perubahahan. Contohnya adalah deteksi polusi air sungai yang berlokasi dekat pabrik kimia. Node sensor dapat disebarkan secara acak ditempat yang tidak diketahui dan tidak bersahabat serta dapat mencari tahu lokasi polusi dengan tepat, sehingga dapat dilakukan tindakan pencegahan. Contoh lain pendeteksian polusi udara, monitoring habitat binatang serta monitoring salju atau lahan kritis untuk mencegah dan menghindari terjadinya longsoran.
- Pemantauan Militer : Jaringan sensor untuk pengawasan pertempuran, dimana sensor digunakan untuk memonitor jejak kendaraan, posisi musuh, bahkan melindungi peralatan dari sebaran sensor.
- Pemantauan Gedung : Sensor dapat digunakan pada gedung besar atau pabrik untuk memonitor perubahan iklim. Thermostat dan sensor suhu disebarkan diseluruh gedung. Sebagai tambahan, sensor dapat digunakan untuk memantau getaran yang dapat merusak struktur bangunan.
- Pelayanan Kesehatan : Sensor dapat digunakan pada aplikasi biomedikal untuk meningkatkan mutu pelayanan. Sensor juga dapat ditanamkan dalam tubuh untuk memonitor masalah kesehatan seperti kanker dan membantu pasien menjaga kesehatannya.
- Pemantauan keamanan : Motion sensors yang dikombinasikan dengan automatic lock dapat digunakan untuk memantau keamanan suatu gedung atau ruangan dari tindakan kejahatan
2.3 Dasar protokol MAC
Protokol Medium Access Control (MAC) adalah protokol pertama yang berada diatas physical layer (PHY) yang sangat mempengaruhi MAC. Tugas dasar MAC adalah mengatur akses semua node ke medium pembagi berdasarkan permintaan yang nantinya berpengaruh pada beberapa kriteria seperti penggunaan energi sesedikit mungkin, low access delay (waktu antara datangnya paket dan pertama kali dikirim) dan low transmission delay (waktu antara datangnya paket dan berhasil dikirim sampai tujuan), throughput efficiency, stability dan fairness dengan overhead serendah mungkin. Diantara referensi model OSI, MAC dianggap sebagai bagian Data Link Layer (DLL) tapi ada perbedaan tugas yang jelas antara MAC dengan bagian DLL yang lain. Kerja protokol MAC dibatasi pada pengaturan node yang akan mengakses medium untuk mentransfer data, kontrol atau mengatur paket ke node yang lain (unicast) atau ke banyak node (multicast , broadcast) . Dua tanggung jawab penting yang tersisa yaitu error control dan flow control akan ditangani oleh DLL yang lain. Error control dipakai untuk memastikan tidak ada kesalahan saat pengiriman dan mengambil tindakan yang sesuai saat ditemukan kesalahan dalam paket data, sedangkan flow control mengatur tingkat transmisi untuk mencegah terjadinya penumpukan data yang antri akibat penerima yang lambat.
2.3.1 Syarat dan batasan desain untuk protokol wireless MAC
Syarat yang paling penting untuk protokol MAC adalah dapat mengatur akses semua node ke medium pembagi berdasarkan permintaan yang nantinya berpengaruh pada beberapa kriteria seperti penggunaan energi sesedikit mungkin, low access delay (waktu antara datangnya paket dan pertama kali dikirim) dan low transmission delay (waktu antara datangnya paket dan berhasil dikirim sampai tujuan), throughput efficiency, stability dan fairness dengan overhead serendah mungkin. Overhead pada protokol MAC dapat terjadi karena per-packet overhead (MAC headers paket datanya), collision atau pertukaran dari paket kontrol ekstra. Collision terjadi bila protokol MAC mengijinkan dua node mengirimkan data ke satu alamat yang sama pada waktu yang sama, sehingga node penerima gagal mendekode paket data yang datang dan layer diatasnya mengirimkan kembali paket yang sama. Pada saat kritis, bisa terjadi konsep prioritas yaitu paket yang lebih penting yang diproses terdahulu. Kinerja protokol MAC sangat tergantung pada peralatan yang ada pada physical layer. Karena menggunakan medium, WSN mengalami kendala yang dikenal dengan wireless transmission problems), yaitu hidden terminal problem dan exposed terminal scenario. Hidden terminal problem adalah kejadian dimana minimal ada tiga node, seperti pada Gambar 2.5, misalkan A, B, C.
Gambar 2.5 Hiden dan expose terminal scenario, (Karl H. dkk, 2005)
Node A akan mengirimkan data ke node B, demikian juga dengan node C yang
akan mengirimkan data ke node B pada saat yang bersamaan atau sedikit lebih lambat. Karena node A dan C tidak saling mengetahui karena jangkauan yang terbatas, maka node C mulai mengirim data karena menganggap node B dalam keadaan bebas dan siap menerima data berdasarkan sinyal yang dibangkitkan node B untuk node A. Akibatnya akan terjadi tabrakan data dari node A dan C pada node B. Exposed terminal scenario , terjadi saat node C akan mengirimkan data ke node B yang sedang berkomunikasi dengan node A, sehingga node C harus menahan data untuk node B sampai waktu yang tepat, dan mengirimkan data lain ke node C. Dengan menggunakan protokol CSMA (Carrier Sense Multiple Access) kejadian seperti tabrakan dan menunggu tidak perlu terjadi. Pada komunikasi yang berbasis kabel, sering kali pengirim berhasil mendeteksi kemungkinan adanya tabrakan dan segera membatalkan pengiriman. Kemampuan ini disebut collision detect (CD) dan dipakai pada protokol CSMA/CD Ethernet untuk meningkatkan efisiensi throughput. Dalam media wireless , komunikasi berlangsung secara mode half duplex yang artinya pada waktu yang diberikan, node pemancar dan node penerima dalam keadaan aktif tapi tidak keduanya secara bersamaan, sehingga protokol CD biasanya jarang dipakai. Cara ini mengurangi kompleksitas pemancar. Problem lain yang muncul adalah saat tidak ada alokasi band untuk WSN dan WSN harus berbagi dengan sistem yang lain sehingga banyak sistem wireless menggunakan Industrial, Science, Medical (ISM) band pada 2,4 GHz. Band ini dipakai oleh beberapa sistem seperti IEEE 802.11/IEEE 802.11b WLAN, Bluetooth dan IEEE 802.15.4 WPAN.
Desain protokol MAC tergantung pada pola beban trafik yang diinginkan. Jika WSN disebarkan untuk keperluan pengamatan berkelanjutan terhadap suatu objek fisik, contohnya pengamatan suhu pada suatu hutan yang mengharapkan perubahan suhu secara signifikan pada periode tertentu. Jika tujuannya adalah menunggu suatu kejadian penting untuk mengumpulkan data sebanyak mungkin, maka jaringan harus dalam keadaa siaga untuk menerima banyak data yang ahrus diproses secepatnya. Untuk itu diperlukan efisiensi MAC yang tinggi selama proses yang berlebihan ini. Contoh aplikasinya adalah pada pengamatan kehidupan liar.
2.3.2 Klasifikasi protokol MAC
Banyak protokol MAC yang telah dibagi dalam kategori fixed assignment protocols (FAP), demand assignment protocols (DAP)dan random access protocols(RAP).
- FAP. Pada protokol ini, sumber yang tersedia dibagi antara semua node dan tiap node dapat menggunakannya secara ekslusif untuk jangka waktu panjang selama beberapa menit, jam, hari bahkan lebih, sehingga terhindar dari collision. Berbeda dengan penggunaan sumber untuk jangka waktu pendek untuk suatu lonjakan data pada waktu tertentu atau hanya beberapa mili detik. Jenis protokol untuk kategori ini adalah Time Division Multiple Access (TDMA), Frequency Division Multiple Access (FDMA), Code Division Multiple Access (CDMA),, Space Division Multiple Access (SDMA), Skema TDMA membagi waktu menjadi beberapa frame waktu dan tiap frame waktu dibagi lagi menjadi beberapa slot waktu yang tetap untuk tiap node. Node memakai slot waktu yang dialokasikan untuknya secara eksklusif untuk berhubungan secara periodik dengan tiap frame waktu. TDMA membutuhkan sinkronisasi waktu yang akurat antara node untuk mencegah terjadinya overlapping sinyal dalam slot waktu yang berdekatan. Pada FDMA, band frekuensi yang ada dibagi kedalam beberapa sub kanal dan dialokasikan untuk node untuk dipakai secara eksklusif pada pengiriman data. Skema ini membutuhkan sinkronisasi frekuensi, filter narrowband dan kemampuan penerima untuk mennyetel frekuensi sesuai dengan yang dipakai pemancar. Secara umum, FDMA lebih kompleks dari TDMA. Pada CDMA, node menyebarkan sinyalnya melebihi bandwidth yang dibutuhkan, memakai kode yang berbeda untuk memisahkan transmisinya. Penerima harus mengenal kode yang dipakai oleh pemancar. Semua transmisi paralel yang memakai kode yang lain, dianggap sebagai noise. Hal penting dalam CDMA adalah pengaturan kode. SDMA menerapkan pemisahan ruang untuk tiap node dalam proses transmisi. SDMA membutuhkan pemakaian antena dan teknik pengolahan sinyal yang canggih. Jarang dipakai pada WSN.
- DAP. Pada protokol ini, alokasi eksklusif sumber untuk node dibuat berdasarkan keperluan singkat yang umumnya mengacu pada durasi lonjakan data. Protokol jenis ini dapat secara luas dibagi menjadi protokol terpusat dan terdistribusi. Dalam protokol terpusat seperti HIPERLAN/2, DQRUMA atau MASCARA, node mengirimkan permintaan bandwidth ke node pusat yang dapat menolak atau menerima permintaan tersebut. Jika permintaan diterima, konfirmasi dikirim ke node yang meminta, bersama dengan rincian sumber yang disediakan seperti nomor dan posisi slot waktu yang bisa ditempati dalam TDMA serta durasinya. Pilihan lain adalah dengan membiarkan stasiun pusat bekerja dengan node yang dipilihnya. Sebagai tambahan, node sering menambahkan pesan khusus dalam paket data yang dikirim dalam slot data untuk mencegah pemisahan data yang diminta. Node pusat harus selalu tersambung siaga dan bertanggung jawab terhadap semua alokasi sumber. Bila ada node yang selesai memakai slot yang dialokasikan untuknya, node pusat akan mengatur kembali alokasi sumber untuk node lainnya. Karena selalu aktif, node pusat mengkomsumsi banyak energi. Protokol jenis ini adalah pilihan yang bagus jika ada cukup node yang tidak aktif dapat membagi energinya untuk node pusat atau ada pergantian fungsi sebagai node pusat diantara node-node dalam suatu lokasi. Contoh penggunaan DAP adalah protokol token-passing seperti IEEE 802.4 Token Bus. Kemampuan untuk melakukan inisiatif pengiriman sudah terintegrasi dalam frame token khusus. Frame token berputar diantara node dalam ring. Prosedur manajemen ring khusus diperlukan untuk memasukkan atau mengeluarkan node dari ring atau untuk memperbaiki kegagalan seperti token yang hilang.
- RAP. Dalam protokol ini, node tidak terkoordinir dan bekerja berdasarkan distribusi. RAP kadang menyertakan elemen acak, dengan mengeksploitasi waktu kedatangan paket acak . Yang terpenting dalam RAP adalah protokol ALOHA, dimana jika suatu node ingin mengirim paket secepatnya, langsung dikirim tanpa berkoordinasi dengan protokol serta node yang lain dengan resiko terjadi tabrakan data di penerima. Untuk mendeteksi ini, penerima perlu mengirim tanda secepatnya untuk mengesahkan paket data yang diterima. Jika pemancar tidak menerima suatu pengakuan, itu dianggap sebagai telah terjadi tabrakan data, sehingga data perlu dikirim lagi. Protokol ALOHA menghasilkan delay yang pendek serta akses yang cepat untuk data yang pendek serta sebaliknya untuk data yang banyak dan panjang menyebabkan efisiensi throughput menurun, delay yang panjang serta menambah jumlah collision . Pada pembagian slot ALOHA, waktu dibagi dalam slot waktu yang cukup panjang untuk menampung data yang banyak serta panjang dan node dibolehkan mengirim paket hanya pada permulaan slot. Hanya paket data berikut yang berada dalam satu slot yang dapat merusak kinerja node. Jika ada node lain yang ingin mengirimkan paket, dia harus menunggu sampai awal slot waktu berikutnya, sehingga tidak merusak paket terdahulu. Hanya sinkronisasi yang baik saja yang dapat mengurangi jumlah collision dan menambah efisiensi throughput. Dalam CSMA, node pemancar sangat memperhatikan proses transmisi yang sedang berlangsung dengan cara mendengar atau mengecek keadaan medium yang disebut carrier sensing. Jika medium dalam keadaan bebas, node mulai mengirim data. Bila medium dalam keadaan sibuk, node akan menunggu samapi waktu tertentu, tergantung pada algoritma yang dipakai. Pada nonpersistent CSMA, node menunggu dengan waktu acak sampai medium bisa dirasakan lagi sebelum waktu tersebut, node tidak memperhatikan keadaan medium. Dalam persistent CSMA , setelah mengetahui medium dalam keadaan sibuk, node akan menunggu sampai akhir dari paket yang dikirim dan mulai meminta slot waktu untuk mengirim data. Protokol CSMA lebih peka terhadap collision dan mempunyai efisiensi throughput yang lebih tinggi dibanding protokol ALOHA karena node lain yang akan berkomunikasi dengan medium tidak mengganggu proses pengiriman data yang sedang berlangsung. Protokol CSMA sangat peka terhadap masalah hidden terminal saat gangguan pada penerima tidak terdeteksi oleh pemancar yang menyebabkan terjadinya collision. Energi yang dipakai pada paket yang bertabrakan tersebut terbuang percuma dan node harus menyediakan energi untuk mengirim kembali paket . Beberapa pendekatan telah dipakai untuk mengatasi masalah hidden terminal diantaranya bussy tone solution dan RTS/CTS handshake.
Dalam bussy tone solution , digunakan dua channels frekuensi, satu untuk paket data, satunya lagi untuk channel kontrol. Segera setelah node mulai menerima paket data yang ditujukan kepadanya, node memancarkan gelombang yang tidak dimodulasi pada channel kontrol dan berhenti memancarkan gelombang saat paket data selesai diterima. Node yang akan mengirimkan data, sebelumnya harus mengecek apakah ada bussy tone dalam chennel kontrol. Jika ada bussy tone, yang bisa didengar sejauh jangkauan sinyal data , node akan mundur sesuai beberapa algoritma yang mirip nonpersisten CSMA. Jika tidak ada bussy tone, node mulai mengirimkan paket data pada kanal data. Protokol ini mengatasi masalah hidden dan expose terminal. Jika bussy tone terlalu lemah, node yang berada diantara jangkauan radio penerima, dapat mulai proses transmisi dan merusak sinyal penerima. Jika bussy tone terlalu kuat, node lain yang akan mengirimkan data ketempat lain akan menahan datanya. Kanal kontrol tidak memerlukan bandwidth yang lebar tetapi bandwidth yang sempit dengan kemampuan sinkronisasi yang baik. Jenis lain dari pendekatan bussy tone adalah PAMAS.
RTS/CTS hanshake seperti yang digunakan dalam IEEE 802.11, berbasis pada protokol MACAW. Gambar 2.6 mengilustrasikan proses RTS/CTS hanshake IEEE 802.11. Protokol ini hanya menggunakan kanal tunggal dan dua paket kontrol khusus. Misalkan node B akan mengirim data ke node C setelah mendapat akses kanal atau setelah mengetahui kanal dalam keadaan bebas, ia mengirimkan paket Request To Send (RTS) ke node C yang berisi durasi waktu pengiriman. Jika C sudah menerima RTS dengan baik, C akan membalas dengan mengirimkan ke node B paket Clear To Send (CTS) yang berisi durasi waktu pengiriman. Saat CTS diterima B, B mulai mengirimkan paket data, dan bila C sudah menerima semua kiriman paket, akan mejawab dengan memberikan konfirmasi (acknoledgement) ke B yang berisi keterangan bahwa data sudah diterima dengan baik. Jika B tidak mendapat konfirmasi, dianggap sebagai kegegalan pengiriman atau terjadi collision. Node lain seperti A dan D juga dapat mengetahui sinyal RTS/CTS dan acknoledgemen berisi internal timer yang disebut Network Allocation Vector (NAV), sehingga tidak mengirim data ke C sampai C selesai bertransaksi.
Gambar 2.6 RTS/CTS hanshake IEEE 802.11 (Karl H. dkk, 2005)
Cara diatas belum menyelesaikan masalah collision secara menyeluruh. Masih ada beberapa skenario yang bisa menyebabkan tabrakan data seperti pada Gambar 2.7. Pada gambar bagian kiri, terlihat bahwa A mengirimkan RTS ke B, dan dibalas B dengan sinyal CTS yang juga terdeteksi oleh C yang saat itu tengah menerima sinyal RTS dari D. Akibatnya C gagal menerjemahkan durasi waktu akibat tabrakan antara durasi waktu dari CTS B dan RTS D. Setelah A menerima CTS dari B, A mulai mengirim paket data yang pada saat bersamaan D mengirimkan RTS ke C dan dibalas dengan CTS ke D. Saat itu juga terjadi tabrakan data di B karena sinyal CTS dari C untuk D juga terbaca oleh B yang sedang menerima data dari A karena C tidak bisa membaca proses pengiriman data yang sedang berlangsung antara A dan B. Pada gambar sebelah kanan, terlihat bahwa masalah mulai dari C yang mengirim RTS ke D dan saat bersamaan CTS dari B untuk A juga terbaca di C. Setelah D menerima RTS dari C, D membalas dengan sinyal CTS untuk C dan C mulai mengirim data yang juga terbaca di B. Disini terjadi tabrakan karena pada saat C mulai mengirim data ke D, B hampir selesai menerima data dari A sehingga B tidak bisa mengirimkan konfirmasi ke A. Jika CTS B sampai di C lebih lama dari CTS yang dikirim C ke D, maka C mempunyai kesempatan untuk merubah modenya dari mode pengirim ke mode penerima sehingga tidak terjadi tabrakan.Dengan menambahkan protokol pengaturan waktu, masalah pada skenario diatas dapat diatasi.
Gambar 2.7 Dua skenario collision dalam RTS / CTS hanshake IEEE 802.11
(Karl H. dkk, 2005)
2.3.3 Protokol MAC untuk WSN
Yang paling penting dalam WSN adalah kemampuan beroperasi selama mungkin dengan menggunakan energi seefisien mungkin. Protokol MAC yang terdahulu seperti ALOHA dan CSMA tidak begitu fokus pada penggunaan energi. Kemampuan lain seperti throughput, time delay dan fairness juga penting, tetapi tidak sepenting penghematan energi. Fairness tidak begitu penting lagi saat tiap node dalam WSN tidak berebut bandwidth, tetapi bekerja sama untuk mencapai suatu tujuan bersama. Kemampuan akses atau delay transmisi ditukar dengan penghematan energi, demikian juga dengan throughput yang tidak menjadi isu utama lagi. Hal penting lainnya adalah penentuan luas berkaitan dengan kerapatan node sensor karena jumlahnya yang sangat banyak serta ketahanan terhadap perubahan topologi yang sering terjadi karena ada node yang kehabisan energi atau berpindah, penambahan node baru atau ada node yang rusak.
Masalah energi pada MAC layer muncul karena node bisa berada dalam mode mengirim, menerima, bebas dan tidur. Saat berada dalam mode mengirim, node mnghabiskan banyak energi, saat dalam mode menerima, node menghabiskan energi lebih sedikit dari mode mengirim, tapi pada dasarnya sama saja, pada posisi bebas, node hanya menghabiskan sedikit energi,tapi tetap saja hampir sama dengan saat berada pada mode mengirim, pada mode tidur, hampir tidak ada energi yang terpakai, tapi berakibat node menjadi “tuli”. Penggunaan energi secara percuma terjadi karena Collisions, dimana node penerima tidak menerima data dengan lengkap, node pengirim harus mengirim kembali data yang gagal diterima. Karena itu collisions harus dihindari dengan menggunakan desain FAP/TDMA atau DAP atau CSMA. Jika semua protokol diatas bisa menjamin bahwa data pada semua sensor akan selalu pendek, maka masalah collision bisa diabaikan. Overhearing unicast mempunyai satu node sumber dan satu node tujuan. Tapi medium wireless adalah medium broadcast dan semua node disekitarnya yang kebetulan berada dalam mode menerima membaca paket yang dikirim dan menjatuhkannya jika paket itu bukan ditujukan untuk mereka. Dalam jaringan yang penyebaran nodenya sangat padat, kondisi overhear ini akan sangat menguras energi sehingga harus dihindari. Dilain pihak, kondisi ini diperlukan saat mengumpulkan informasi node disekelilingnya, perkiraan kepadatan lalu lintas data dan untuk keperluan manajemen. Overhead protokol dipengaruhi oleh kontrol hubungan frame MAC yang mirip, seperti paket atau permintaan RTS dan CTS dalam DAP dan selanjutnya oleh per-packet overhead seperti paket headers dan trailers. Idle listening adalah kondisi dimana node yang sedang bebas, siap menerima paket tapi belum menerima paket. Penantian seperti ini menghabiskan energi dengan percuma dan membebani jaringan. Mengganti mode pemancar adalah salah satu solusi tetapi pergantian mode juga membutuhkan energi. Protokol berbasis TDMA menawarkan solusi yang implisit saat node yang beroperasi pada suatu slot waktu mengganti modenya dari pengirim ke penerima. Banyak protokol mencoba mengatasi masalah diatas untuk menjaga WSN tetap memakai energi seirit mungkin.
2.3.4 Protokol MAC IEEE 802.15.4
IEEE menyelesaikan standar IEEE 802.15.4 pada Oktober 2003. Standar tersebut mencakup physical layer dan MAC layer dari suatu low rate Wireless Personal Area Network (WPAN) . Kadang orang bingung dengan IEEE 802.15.4 dan ZigBee, suatu standar yang dibuat persekutuan ZigBee. Zigbee memakai layanan IEEE 802.15.4 dan menambahkan konstruksi jaringan seperti star, peer to peer, mesh, dan tree, sekuritas, aplikasi dan lain-lain. Target penggunaan IEEE 802.15.4 adalah dalam lingkungan WSN, home automation, home networking, hubungan peralatan dengan PC, keamanan lingkungan dan sebagainya. Kebanyakan dari aplikasi ini hanya memerlukan bitrates kecil hingga menengah sampai beberapa ratus kbps dan delay yang wajar. Physical layer menawarkan bitrate 20 kbps untuk kanal tunggal denga cakupan frekuensi 868-868,6 MHz, 40 kbps untuk sepuluh kanal denga cakupan frekuensi 905-928 MHz dan 250 kbps untuk 16 kanal pada frekuensi 2,4 GHz. Band ISI antara 2,4 dan 2.485 GHz dengan jarak 5 MHz dari frekuensi tengah. Total ada 27 kanal yang tersedia tapi protokol MAC hanya menggunakan satu kanal saja pada suatu waktu karena protokol MAC bukan protokol multi kanal.
2.3.5 Perbandingan IEEE 802.15.4 dengan IEEE 802.11 dan bluetooth
Bluetooth adalah suatu sistem yang didisain untuk WPAN dengan penggunaan utama pada koneksi peralatan dengan PC. Node diorganisir dalam piconets yang terdiri dari satu master node dan maksimal tujuh slave node. Ini tidak cocok diterapkan pada WSN untuk pemantauan lingkungan yang membutuhkan banyak node.
IEEE 802.11 juga memperhitungkan penggunaan energi yang rendah tapi secara umum bekerja pada bitrate yang tinggi dan pemancar yang tersedia memerlukan jumlah energi yang besar untuk beroperasi dari yang dapat diterima pada aplikasi WSN dengan bitrate yang rendah. Selain itu IEEE 802.11 adalah protokol single hop untuk infrastruktur dan skenario jaringan ad-hoc serta secara umum membiarkan node atau pengguna berbagi sumber yang tersedia dengan perebutan yang wajar. Tujuan diatas tidak cocok dengan WSN.
2.4 ZigBee
ZigBee menawarkan rumah yang cerdas tanpa kawat. Beberapa tahun terakhir, kita telah menyaksikan suatu perluasan yang besar peralatan elektronik yang dapat dikendalian dariu jarak jauh di dalam hidup sehari-hari. Dua atau tiga dekade yang lalu, remote infra merah (IR) untuk televisi adalah satu-satunya alat seperti itu di dalam rumah-rumah kita. Sekarang sudah banyak peralatan rumah tangga yang bisa diatur dari jauh. Untuk dapat mengotrol semua alat, yang diperlukan hanya menempatkan mereka dibawa suatu antar muka yang distandardisasi dan dapat saling behubungan ke dalam suatu jaringan, yaitu Home Area Network (HAN). Salah satu protokol yang bisa dipakai untuk HAN yang paling menjanjikan adalah ZigBee, suatu lapisan perangkat lunak berbasis standar IEEE 802.15.4. Beberapa remote IR dapat mengontol banyak peralatan dengan cara mengenali kode transmisi. Tetapi karena cakupan kontrol IR terbatas pada jarak pandang, remote tersebut hanya digunakan pada pengontrolan home entertainment saja. HAN dapat mengatasi masalah diatas karena cakupan kontrolnya sangat jauh dan luas sehingga dapat megontrol banyak alat dengan satu remote.
Dari beberapa standar networking rumah untuk mengendalikan berbagai peralatan rumah, protokol X-10 adalah salah satu yang paling tua yang diperkenalkan pada tahun 1978 untuk Sears Home Control System dan Radio Shack Plugin Power System. X-10 menggunakan kawat saluran listrik untuk mengirim dan menerima perintah. Bentuk kode X-10 adalah tidak umum untuk transmisi pembawa listrik. Transmisi X-10 disinkronkan pada titik persimpangan nol dari saluran listrik AC. Suatu biner 1 diwakili oleh suatu lonjakan pulsa 120KHz selama 1ms di titik persimpangan nol dan biner 0 oleh ketidakhadiran dari 120KHz. Jaringan terdiri dari unit-unit pemancar, unit-unit penerima, dan unit dua arah yang dapat menerima dan memancarkan perintah X-10 Unit penerima bekerja sebagai sebagai saklar kendali jarak jauh untuk mengendalikan peralatan-peralatan rumah atau sebagai pengontrol lampu dimmer . Unit pemancar umumnya adalah saklar normally-open yang mengirim perintah X-10 saat saklar tertutup. X-10 memungkinkan untuk mengubah status unit peralatan dari keadaan on atau off atau untuk mengontrol keadaan lampu, on atau off , dim atau bright. Unit dua arah mengirimkan status mereka yang aktif (hidup atau mati) atas permintaan Suatu kode yang khusus digunakan untuk mengakomodir perpindahan data dari sensor-sensor analog. Sekarang ini, jangkauan dari alat-alat yang mengendalikan peralatan-peralatan rumah menggunakan protokol X-10 sudah tersedia. Ketersediaan dan kesederhanaan sudah membuat X-10 dikekenal sebagai standar otomasi rumah yang memungkinkan operasi plug-and-play dengan setiap peralatan rumah dan tidak memerlukan pengetahuan khusus untuk mengatur dan mengoperasikan suatu jaringan rumah. Karena sederhana, maka X-10 berkecepatan rendah, kurang handal serta kurang man. Kecepatan transfer data yang efektif adalah 60 bps, juga terlalu lambat untuk setiap komunikasi data antara node. Pemborosan tinggi di dalam transisi disebabkan oleh penurunan sinyal yang besar di dalam saluran listrik. Untuk setiap peralatan yang memakai tenaga listrik, transmisi X-10 terasa seperti noise dan adalah hal yang harus dibuang oleh peralatan filter pada power line. Keandalan dan sekuritas dikesampingkan pada jaringan X-10 untuk aplikasi rumah tangga kritis seperti pengendalian suatu pintu masuk. Di dalam beberapa tahun terakhir, Wireless Local Area Network (WLAN) yang baru seperti Wi-Fi dan Bluetooth telah tersedia. Tabel 2.1, menunjukkan pengaruh kekuatan dan aplikasi dari sistem yang berbeda ini. Kamera-kamera tanpa kawat untuk pemantauan yang yang di-remote adalah satu contoh dari aplikasi teknologi ini dalam otomasi rumah dan bidang pengawasan. Tetapi masalahnya adalah karena teknologi tersebut tidak memenuhi persyaratan-persyaratan untuk suatu HAN. Jika kita perhatikan jenis data diseputar suatu jaringan sensor dan aktuator, kita temukan bahwa kebanyakan data adalah paket-paket kecil yang mengendalikan alat-alat atau memperoleh status mereka. Untuk banyak aplikasi, seperti detektor asap tanpa kawat dan detektor CO2 atau keamanan rumah tanpa kawat, kebanyakan berada dalam kondisi “tidur” dan hanya mengirimkan lonjakan kecil informasi jika ada suatu kejadian. Persyaratan utama untuk jaringan diatas adalah konsumsi nergi yang sangat sedikit, kemampuan untuk berada dalam mode sleep sleep untuk waktu yang lama, ringkas dan sederhana serta murah. Suatu jaringan rumah harus mendukung konfigurasi-konfigurasi yang berbeda, seperti suatu jaringan star atau mesh, sehingga efektif mengkover semua bidang rumah dari 30 sampai 70 meter.
Tabel 2.1 Perbandingan Teknologi Wireless.
Standar
BW
Power Consumption
Protocol Stack Size
Kelebihan
Aplikasi
Wi-Fi
Up to 54Mbps
400+mA TX, standby 20mA
100+KB
High data rate
Internet browsing, PC net, file transfers
Bluetooth
1Mbps
40mA TX, standby 0.2mA
~100+KB
Interoperability,cable replacement
Wireless USB, handset, headset
ZigBee
250kbps
30mA TX, standby 3mA
432KB
Long battery life, low cost
Remote control, battery-operated products, sensors
Sumber : www.zigbee.org
ZigBee adalah suatu jaringan yang dirancang untuk menggantikan remote individu. ZigBee diciptakan untuk mencukupi kebutuhan pasar akan jaringan yang murah dengan standar berbasis jaringan wireless yang mendukung komunikasi dengan bitrate yang rendah, irit, aman dan handal. Untuk memenuhi kebutuhan ini, ZigBee Alliance, satu kelompok kerja industri (www.zigbee.org), sedang mengembangkan software aplikasi yang distandardisasi pada IEEE 802.15.4 . Aliansi itu bekerja dengan IEEE untuk memastikan suatu integrasi, melengkapi dan jaringan yang tidak diganggu untuk pasar. Sebagai contoh, kelompok kerja itu akan menyediakan sertifikasi uji coba sistem 802.15.4, termasuk layer perangkat lunak ZigBee. ZigBee Alliance itu akan juga bertindak sebagai tester dan pemberi sertifikasi yang resmi untuk alat-alat ZigBee.
Gambar 2.8 Arsitektur stack ZigBee. (www.zigbee.org)
Gambar 2.8 menunjukkan struktur layer yang mengacu pada OSI.. Dua lapisan pertama adalah (PHY) dan (MAC), sesuai standart IEEE 802.15.4 dan disetujui oleh IEEE pada tahun 2003. Lapisan-lapisan PHY dan MAC dirancang oleh ZigBee dan diharapkan disetujui oleh IEEE sebagai standart.
Produk-produk yang dipenuhi ZigBee, beroperasi pada band di seluruh dunia yang tanpa ijin, termasuk 2,4 GHz (global), 902 – 928 MHz (Amerika), dan 868 MHz (Eropa). Data mentah throughput rate dari 250Kbps dapat dicapai pada 2,4 GHz (16 saluran), 40 Kbps pada 915 MHz (10 saluran), dan 20Kbps pada 868MHz (1 saluran). Jarak transmisi diharapkan untuk mulai dari 10 ke 75 meter, tergantung pada power keluaran dan karakteristik lingkungan. Seperti Wi-Fi, Zigbee juga menggunakan sebaran spektrum direct sequence dalam band 2,4 GHz, dengan modulasi offset-quadrature phase-shift keying. Lebar kanal adalah 2 MHz dengan jarak saluran 5 MHz. Band 868 dan 900 MHz juga menggunakan sebaran spektrum direct sequence tetapi dengan modulasi binary-phase-shift keying. Gambar 2.9 menggambarkan empat jenis bingkai dasar dalam 802.15.4., data, ACK, MAC , command dan beacon.
Gambar 2.9 Empat jenis bingkai dasar dalam 802.15.4., data, ACK, MAC , command dan beacon. (www.zigbee.org)
Bingkai data menyediakan suatu muatan sampai dengan 104 byte. Bingkai dihitung untuk memastikan bahwa semua paket telah diperiksa. Suatu pemeriksaan urutan bingkai dilakukan untuk memastikan bahwa paket-paket diterima tanpa kesalahan. Struktur bingkai ini memperbaiki keandalan di dalam kondisi-kondisi yang sulit. Struktur penting yang lain pada 802.15.4 adalah bingkai pengakuan (ACK) yang menyediakan umpan balik dari penerima ke pengirim yang menetapkan bahwa paket diterima tanpa kesalahan. Alat mengambil keuntungan dari ditetapkan "saat teduh" antara bingkai-bingkai untuk mengirimkan suatu paket pendek yang cepat setelah transmisi paket data. Suatu bingkai perintah MAC menyediakan mekanisme untuk pengendalian jarak jauh dan konfigurasi node klien. Suatu manajer jaringan terpusat menggunakan MAC untuk mengatur bingkai perintah klien individu tanpa memperdulikan besar jaringan. Akhirnya, bingkai beacon membangunkan alat-alat klien, yang mengikuti alamat mereka dan kembali untuk “tidur” jika mereka tidak menerima nya. Beacon sangat penting bagi jaringan mesh dan tree untuk menjaga semua node tetap sinkron tanpa perlu node-node tersebut mengkonsumsi energi baterei yang mahal dengan mendengarkan untuk periode yang lama.
Untuk mengakses saluran dan pengalamatan, dipakai dua mekanisme akses saluran dalam 802.15.4. Untuk jaringan non beacon, suatu patokan ALOHA CSMA-CA (Carrier Sense Medium Access with Collision Avoidance) berkomunikasi dengan ACK positif untuk menyukseskan penerimaan paket data. Di suatu jaringan beacon-enabled, struktur superframe digunakan untuk mengendalikan akses saluran. Superframe itu disiapkan oleh koordinator jaringan untuk memancarkan beacon pada interval dari 1538ms, sampai ke 252s dan menyediakan 16 slot waktu equal-width antar beacon untuk pendirian secara bebas akses saluran pada tiap slot waktu. Struktur menjamin bandwidth yang dialokasikan . Bagaimanapun, koordinator jaringan dapat mengalokasikan sampai dengan tujuh slot waktu yang dijamin per interval beacon untuk kualitas layanan. Alamat-alamat alat memakai 64-bit IEEE dan 16-bit pengalamatan pendek pilihan. Field alamat di dalam MAC dapat berisi sumber dan informasi alamat tujuan yang diperlukan untuk operasi peer-to-peer. Informasi alamat rangkap ini digunakan pada jaringan mesh untuk mencegah suatu node yang gagal di dalam jaringan.
Jaringan ZigBee menggunakan tiga jenis alat yaitu :
- Koordinator jaringan (network coordinator) yang memelihara seluruh data jaringan, yang paling canggih dari ke tiga jenis alat ZigBee dan memerlukan hampir semua memori serta kemampuan computing.
- Alat fungsi yang penuh, Full Function Device (FFD) yang mendukung semua fungsi 802.15.4 dan fitur yang ditetapkan oleh standart yang juga dapat berfungsi sebagai koordinator jaringan. Penambahan memori dan kemampuan menghitung membuatnya cocok difungsikan sebagai router jaringan atau bisa digunakan dalam peralatan network-edge dimana jaringan menyentuh dunia nyata.
- Alat fungsi pengurang, Reduced Function Devices (RFD) dengan fungsi terbatas untuk menurunkan biaya dan kompleksitas, seperti yang ditetapkan oleh standart. Umumnya ditemui atau dipakai di dalam dalam peralatan network-edge .
Komsumsi daya yang sangat rendah adalah cara ZigBee mempromosikan bersama denga peralatan dengan battery yang tidak bisa diisi ulang. ZigBee dirancang untuk menjaga energi dari node-node dilapangan. Kebanyakan node berada dalam mode sleep dan hanya bangun pada waktu tertentu untuk memberitahukan keberadaannya kepada jaringan atau saat ada kejadian untuk dideteksi. Sebagai contoh, peralihan dari mode sleep ke transisi data sekitar 15 detik dan penyebutan satu per satu node baru pada umumnya hanya 30ms. Jaringan ZigBee dapat menggunakan lingkungan beacon atau non-beacon untuk mensinkronkan peralatan jaringan, Identifikasi HAN dan menguraikan struktur dari superframe. Interval beacon di set oleh koordinator jaringan dan bervariasi dari 15 mili detik sampai diatas 4 menit. 16 slot waktu yang sama dialokasikan antara beacon untuk penyerahan pesan. Akses kanal pada setiap slot waktu waktu adalah berbasis pendirian. Bagaimanapun, koordinator jaringan dapat mempunyai alokasi sampai dengan tujuh slot waktu sebagai jaminan untuk penyerahan yang berbasis bukan pendirian atau low-latency .
Keamanan dan integritas data adalah kunci keunggulan dari teknologi ZigBee. ZigBee meningkatkan model keamanan dari IEEE 802.15.4 untuk sublayer MAC yang menetapkan empat layanan keamanan :
- Access control , dimana alat memelihara daftar peralatan yang dipercaya didalam jaringan.
- Data encyption , yang menggunakan pengembangan standart kunci symmetric 128-bit.
- Frame integrity , untuk melindungi data dari pengrusakan oleh node asing yang tidak punya kunci cryptographic.
- Sequential freshness, untuk menolak bingkai data yang telah dibaca, dimana pengontrol jaringan membandingkan nilai yang terbaru dengan nilai terakhir yang dibaca, dan menolaknya jika data terbaru belum diperbaharui.
Implementasi keamanan yang nyata ditetapkan , menggunakan suatu toolbox yang distandardisasi dari perangkat lunak keamanan ZigBee
Network Layer NWK mengaitkan atau memisahkan alat-alat menggunakan koordinator jaringan, penerapan keamanan dan bingkai rute kepada alamat yang dituju. Sebagai tambahan, lapisan NWK dari koordinator jaringan bertanggung jawab atas memulai suatu jaringan yang baru dan menugaskan satu menunjukkan alamat kepada alat-alat yang baru. Lapisan NWK mendukung topologi jaringan ganda termasuk star, cluster treet, dan mesh, seperti yang ditunjukkan di dalam Gambar 2.10.
Gambar 2.10 Model jaringan ZigBee. (www.zigbee.org)
Pada suatu topologi star, salah satu dari peralatan jenis FFD disumsikan berperan koordinator jaringan dan bertanggung jawab untuk memulai dan memelihara semua node dalam jaringan. Semua node yang lain dikenal sebagai node akhir, secara langsung berkomunikasi dengan koordinator.
Pada topologi mesh,, koordinator ZigBee bertanggung jawab untuk memulai jaringan dan memilih parameter jaringan kunci, tetapi jaringan itu bisa diperluas melalui pemakaian routers ZigBee. Algoritma rouing menggunakan suatu protokol tanggapan permintaan (request-response) untuk menghapuskan sub-routing optimal. Ukuran jaringan terakhir dapat menjangkau 264 node , lebih dari yang mungkin diperlukan. Menggunakan pengalamatan lokal, anda dapat mengatur jaringan sederhana lebih dari 65,000 (216) node, dengan demikian mengurangi overhead alamat.
General Operation Framework (GOF) adalah suatu lapisan perekat antara aplikasi dan seluruh tumpukan protokol. GOF sekarang ini mengkover berbagai elemen yang bersifat umum untuk semua alat. Termasuk di dalamnya subaddressing dan mode pengalamatan , uraian jenis alat, sumber daya, mode sleep dan koordinator. Menggunakan satu model obyek, GOF menetapkan metode, kejadian dan bentuk-bentuk data yang digunakan oleh profil aplikasi untuk membangun set / get command dan responsnya. Aplikasi nyata digambarkan di dalam setiap profil dari kelompok kerja IEEE.. Masing-masing alat ZigBee dapat mendukung sampai dengan 30 profil yang berbeda. Sekarang ini, hanya satu profil yaitu Comerciall and Residential Lighting yang telah didefinisikan termasuk di dalamnya saklar dan dimming pengontrol beban, pengendalian jarak jauh dan sensor-sensor ringan.
Tumpukan ZigBee adalah kecil di dalam perbandingan dengan standart wirelesst yang lain. Untuk peralatan network-edge dengan kemampuan terbatas, stack memerlukan sekitar 4 Kb dari memori. Implementasi penuh dari protokol stack mengambil kurang dari 32 Kb dari memori. Koordinator jaringan boleh memerlukan tambahan RAM untuk suatu database node. Standart 802.15.4 menggambarkan 26 primitif untuk layer PHY dan MAC, lusin lain mungkin akan ditambahkan setelah penyelesaian spesifikasi lapisan NWK. Angka-angka itu masih dibandingkan dengan 131 primitif untuk Bluetooth. Cara seperti diatas yang ringkas, memungkinkan untuk menjalankan Zigbee di suatu microcontroller 8-bit yang sederhana seperti HC08 atau 8051 yang berbasis inti prosesor.
Gambar 2.11 ZigBee-enabled yang terdiri dari RF IC dan 8-bit mikroprosesor dengan periferal yang disambungkan ke satu aplikasi sensor atau aktuator. (www.zigbee.org)
Seperti yang ditunjukkan Gambar 2.11 , suatu alat ZigBee-enabled yang mengintegrasikan sirkuit frekuensi radio, Radio Frequency Integrated Circuit (RF IC) dengan suatu lapisan PHY secara parsial menerapkan sambungkan ke suatu low-power, low-voltage 8-bit microcontroller dengan periferal, yang yang disambungkan ke satu aplikasi sensor atau aktuator. Tumpukan protokol dan perangkat aplikasi dari perusahaan sudah tersimpan on-chip flash memory. Semua komponen ZigBee dibuat kompak dan ringkas sehingga lebih murah. Motorola dan Atmel telah menawarkan satu set RF IC dan microcontrollers untuk ZigBee. Chipcon adalah contoh 802.15.4-compliant RF IC untuk band 2,4 GHz. Sekarang ini, teknologi ZigBee sudah mulai beredar luas dipasaran.
2.5 Desain WSN
Secara umum, Wireless Sensor Network digambarkan sebagai penyebaran suatu sensor berukuran kecil secara luas yang mempunyai keterbatasan power, pemrosesan data yang lambat, kapasitas penyimpan data yang kecil serta dioperasikan dalam suatu lingkungan dalam waktu yang lama. Topologi Wireless Sensor Network terdiri dari dua atau tiga jaringan sensor board / node yang terhubung secara multihop seperti pada Gambar 2.12 dan Gambar 2.13. Data hasil penginderaan mengalami proses awal pada sensor board / node, kadang disimpan sebelum dikirimkan ke gateway yang mempunyai fitur lebih lengkap untuk pemrosesan data yang kemudian dikirim ke base station.
Gambar 2.12 Topologi Dasar WSN untuk pengunpulan data. (Hermann C., 2005)
Jaringan sensor terorganisir sedemikian rupa sehingga rute data dapat sampai pada node khusus yang disebut Base Station (kadang disebut sink). Sebuah base station menghubungkan jaringan sensor dengan jaringan lain seperti gateway untuk memberikan data yang diperoleh sensor untuk proses lanjutan. Base station mempunyai kemampuan diatas sensor biasa karena tugasnya yang lebih kompleks. Type ini mempunyai prosesor sekelas laptop atau workstation, dengan cukup memory, energi, tempat penyimpanan data dan kemampuan komputasi untuk menjalankan tugasnya. Biasanya komunikasi antar base station terjadi pada jalur bandwidth yang tinggi. Sensor tidak dapat berkomunikasi langsung dengan base station , mereka berkomunikasi dan mengirim data lewat sensor terdekatnya secara multi-hop , sampai data mencapai tempat tujuan. Sejak penggunaan energi menjadi isu utama dalam jaringan sensor, multi-hop harus mengikuti aturan tertentu. Sebagai contoh, bayangkan suatu susunan dimana setiap node mengirimkan datanya ke node tetangganya sampai data itu mencapai tujuan. Cara ini membuat traffic menjadi padat sehingga harus dirancang dengan hati-hati dan teliti karena kepadatan traffic berpengaruh pada umur jaringan. Rute harus didesain sedemikian rupa supaya setiap node dapat menghemat pemakaian energi selama operasi.
Gambar 2.13 Multi-hop routing pada WSN. (Bjorkstad P., 2007)
Secara umum, kumpulan node dikenalkan pada jaringan. Ini mengurangi jumlah pertukaran pesan antar node dan menghemat energi. Kumpulan titik adalah node biasa yang menerima data dari tetangganya, melakukan sedikit pemrosesan data dan kemudian mengirimkan data itu ke node berikutnya. Clustering adalah teknik yang mengijinkan penerapan pengumpulan atau pengelompokkan. Node sensor dapat dikumpulkan dalam sebuah cluster dan tiap cluster mempunyai satu cluster head sebagai pimpinan. Cluster head mengumpulkan paket-paket data yang datang dari node dalam satu cluster. Cluster head kemudian berkomunikasi secara langsung denga base station atau lewat Cluster head yang lain . Metode lain untuk menghemat energi adalah dengan mengeset node kedalam posisi idle (sleep mode) dan akan kembali diaktifkan jika diperlukan.
2.6 Komponen Wireless Sensor Network
Komponen yang dipakai dalam penelitian ini untuk memodelkan implementasi Home Automation System berbasis Wireless Sensor Network adalah sebagai berikut :
- MTS 420 atau MTS 300 (sensor board)
- MICAz MPR 2400 (motes)
- MICAz MIB 600 CA (gateway)
- Ethernet Card
- Tiny OS
Profil komponen WSN untuk HAS dapat dilihat pada lampiran.
2.7 TinyOS
Perangkat keras dalam suatu WSN seperti node, dapat beroperasi dengan baik bila didukung oleh perangkat lunak dalam bentuk Operating System (OS). Sistem operasi yang ada seperti UNIX, Windows dan Linux bekerja dengan baik pada prosesor 32 bit pada ratusan MHz dengan memory beberapa MB atau GB. Komponen Mote tidak memenuhi syarat untuk menjalankan OS diatas. Karena itu telah dikembangkan suatu sistem operasi terbuka yang baru yang disebut TinyOS karena kecil, untuk mote kelas kecil atau menengah.
TinyOS adalah sistem operasi berbasis suatu kejadian. Program yang ditulis untuk TinyOS bersifat membangun oleh komponen-komponen dan masing-masing komponen mempunyai satu atau beberapa tugas untuk dikerjakan. Sebagai contoh, suatu komponen dapat bekerja mendapatkan data dari sebuah sensor cahaya.. Komponen ini dibentuk oleh dua sub-components. Satu komponen
bertugas mengirimkan permintaan untuk data kepada sensor cahaya dan komponen lain bertugas untuk memberitahukan program utama bahwa pembacaan data itu sudah dilaksanakan. Lebih lanjut, dua komponen ini dapat mempunyai sub komponen dari mereka sendiri dan membentuk beberapa lapisan dari komponen program. Idenya adalah bahwa komponen yang berada pada tingkat terendah meringkas perangkat keras dan mengirim interupsi-interupsi secara fisik sebagai kejadian tak serempak kepada tingkat yang lebih tinggi.
2.7.1. NesC
Program-program yang dijalankan di TinyOS ditulis dalam NesC. NesC adalah versi ringan dari bahasa C .Sintaks-sintaksnya mirip tetapi tools untuk penggunaan grafis, operasi matematika, penanganan memori lanjutan dan fasilitas lainnya telah dikeluarkan.
Program yang ditulis dalam NesC seringkali dibangun dari komponen pra program yang sudah ada yang terhubung bersama dalam link file dan biasa disebut programname.nc. Tentunya komponen dapat diprogram dan dirancang , tapi biasanya sangat sulit. Link file adalah file yang menunjukkan suatu sub komponen ke sub komponen mana dia harus mengirim datanya. File ini sangat sederhana dan menggambarkan bagaimana struktur programnya.
LAMPIRAN
Hardware Overview
Spesifikasi Hardware :
* Sensor Board
Sumber : (Crossbow Technology, 2005)
Sumber : (Crossbow Technology, 2005)
* Motes
MPR2400 / MICAz
Sumber : (Crossbow Technology, 2005)
* Gateway
Sumber : (Crossbow Technology, 2005)
DAFTAR PUSTAKA
Augusto J.C dan Nugent C.D. (2006), “The Role of Artificial Intelligence” dalam Designing Smart Homes . Springer-Berlin Heidelberg, NewYork
Bjorkstad P. (2007), “Reliable Data Delivery over Wireless Sensor Networks” Master’s Degree Project, Stockholm, Sweden
Christian Hermann, Middleware for Supporting Multiple Application In Wireless Sensor Network, Assignment Thesis, Faculty of Computer Science, Institute for System Architecture, Technische Universität Dresden.
Crossbow Technology, Inc. (2005)” Hardware Overview”
Gay D., Levis P. dan Behren R.(2003), “The NesC Language : A Holistic Approach to Networked Embedded Systems Proceedings of Programming Language Design and Implementation” (San Diego)
Karl H. Dan Willig A. (2005), Protocols and architectures for wireless sensor networks, John Wiley & Sons, Inc., New York.
Lewis F.L. (2004), “Wireless Sensor Network”. Eds. Cook D.J. et al., University of Texas, Arlington.
Ramon C. (2005), “Zigbee Home Automation Public Application Profile” , ZigBee Alliance, Inc.,San Ramon.
Severino R. dan Alves M.(2006) , “ On a Test-bed Application for the ART-WiSe Framework”. Technical Report IPP-HURRAY! Polytechnic Institute of Porto (ISEP-IPP), Portugal.
www.freescale.com\zigbee
www.zigbee.org
Zhu Y.W., Zhong X.X. dan Shi J.F. (2006), “The Design of Wireless Sensor Network System Based on Zigbee Technology for Greenhouse”, Journal of Physics, Confrence Series 48 , hal. 1195-1199.
Postingan
Tidak ada komentar:
Posting Komentar