Wireless Sensor Network

Wireless Sensor Network
Konsep Dasar
Wireless Sensor Network merupakan :

Suatu jaringan nirkabel (tanpa kabel) yang terdiri dari base station dan
kumpulan node sensor yang tersebar (dalam jumlah besar) di suatu area
tertentu

Node sensor digunakan sebagai media untuk mengumpulkan data yang
nantinya melalui proses tertentu akan menghasilkan informasi sesuai
dengan karakteristik tertentu, sehingga dapat digunakan untuk
memonitor suatu sistem atau lingkungan seperti temperatur, kelembapan,
tekanan,dll.

Node sensor dilengkapi dengan peralatan sistem komunikasi sehingga
dapat saling terhubung dengan node sensor lainnya
Ilustrasi Penggunaan WSN
WSN
dapat
digunakan
dengan sensor sederhana
yang memonitoring suatu
fenomena sedangkan untuk
yang komplek maka setiap
WSN akan mempunyai lebih
dari satu sensor sehingga
WSN
dapat
melakukan
banyak monitoring untuk
suatu fenomena. Jika WSN
ini dihubungkan ke gateway
yang
dapat
mengakses
internet maka WSN ini dapat
diakses dan berkolaborasi
dengan sistem lain
Alur Kerja WSN
Data yang telah didapat oleh
sensor akan dikumpulkan di
base station lalu akan
dikirimkan secara nirkabel ke
sink atau gateway pusat
dengan melalui beberapa
sensor (Hal ini dikarenakan
keterbatasan hardware dan
penghematan energi, WSN
menggunakan metode
komunikasi rendah daya yang
berarti jarak transmisi terbatas,
sehingga setiap titik sensor
harus mengoper data ke titik
sensor lainnya sampai akhirnya
sampai ke sink/gateway)
Alur Kerja WSN (cont.)

Selanjutnya dari gateway pusat, data akan disalurkan menuju
web server (internet) sehingga nantinya host controller/user
dapat mengakses jaringan internet tersebut untuk memonitor
dan memproses data, dengan sebelumnya sinyal analog dari
data akan diubah menjadi sinyal digital

Pada host controller, data digital dapat diproses dengan
memberikan input tertentu , untuk melakukan suatu proses
tertentu pada suatu sistem

Data digital yang telah dibaca dan diproses akan
dikembalikan kembali ke data analog dan dikirimkan kembali
ke suatu aktuator/sistem
Alur Kerja WSN (Cont.)
•
Sering kali hasil dari ouput yang
diperoleh dari sensor tidak bisa
langsung diolah, sehingga perlu
dilakukan pengolahan melalui
rangkaian pengkondisi sinyal
•
Setelah itu output akan masuk ke
rangkaian analog
to digital
converter (ADC). Sekarang sinyal
telah berupa sinyal digital dan
bisa di proses, di simpan ataupun
di tampilkan
•
Terakhir
sinyal
digital
akan
dikembalikan ke sinyal analog,
sebuah jaringan sensor aktuator
nirkabel dapat mengendalikan
input untuk aktuator, sehingga
dapat berinteraksi dengan dunia
luar
Tipe-tipe sensor pada WSN
Berikut tipe-tipe sensor yang
dapat digunakan untuk
mengumpulkan/menangkap
data berdasarkan karakteristik
tertentu, yang nantinya dapat
digunakan untuk menghasilkan
suatu informasi berdasarkan
proses terkait selanjutnya
Thermocouple
Apa itu Node Sensor??

Node pada jaringan sensor nirkabel terdiri dari beberapa komponen diantaranya sensor,
baterai, mikrokontroler, dan sirkuit analog

Perangkat sensor pada dasarnya dibentuk oleh bagian komputasi yang bertanggung
jawab untuk menyimpan dan mengirimkan data, dan sebagian penginderaan yang
dapat dibentuk oleh satu atau lebih sensor, seperti akustik, seismik, kamera video
inframerah, suhu, dan tekanan

Secara umum, dua format modulasi yang tersedia: Frekuensi-Shift-Key (FSK) yang
beroperasi di 433 dan 868-915 MHz dan direct sequence spread spectrum (DSSS) yang
beroperasi di pita 2,4 GHz yang mengirimkan 802.15.4 dan standar ZigBee

Jangkauan radio bervariasi dari 10 hingga 100 meter
Node Sensor
•
Gambar disamping
mengilustrasikan macammacam node sensor
seperti IRIS, TelosB, Rene2,
MicaZ, dll.
•
Sebuah anggaran yang
diumumkan oleh
perusahaan Cina Mensic3
pada januari 2012
menunjukkan bahwa
biaya untuk node sensor
Micaz sebesar U$ 114,00
dan U$ 160,00 untuk
TelosB, tidak termasuk bea
impor dan pembelian
minimal harus sebesar U$
1.000,00
Perangkat WSN
Berikut ilustrasi dari perangkatperangkat yang dibutuhkan dalam
membangun Wireless System
Network
Perangkat WSN (Cont.)
Gateway
Berikut ilustrasi lain dari
perangkat node sensor dan
gateway dari Waspmote
Node
Sensor
Contoh Implementasi WSN di
Kehidupan Nyata
Smart Dust adalah salah satu proyek militer
DARPA yang digunakan untuk sistem C4ISRT
(command, control, communication, computing,
intelligence, surveillance, reconnaissance and
targeting). Berwujud sebuah kotak bervolume
100 milimeter kubik dengan 2 chip, yaitu chip
MEMS (micro electro mechanical system)
dengan sederet transmitter dan chip CMOS ASIC
dengan receiver optik, charge pump dan digital
controller. Smart Dust ditebarkan di medan
perang/target dengan berbagai cara seperti
pesawat pengebom tabur
Contoh Implementasi WSN di
Kehidupan Nyata (Cont.)
Boomerang Sniper
Detection
System memiliki wujud
berupa batangan yang
dikelilingi mikrofon untuk
mendeteksi suara
tembakan halus sniper
rifle. Biasa ditaruh di
kendaraan perang atau
dibawa oleh
tentara reconnaissance
Contoh Implementasi WSN di
Kehidupan Nyata (Cont.)
Pemilik rumah dapat
mengatur penggunaan
energi listrik. Saat
penggunaaan energi
listrik mencapai titik
maksimal dari yang
ditentukan, secara
otomatis jaringan sensor
akan mengirim data ke
gateway untuk diproses
dan kontroler akan
menurunkan nilai
cahaya, temperatur,
dan kelembaban
ruangan
Contoh Implementasi WSN di
Kehidupan Nyata (Cont.)
Dalam lingkungan
pertanian dilakukan
monitoring melalui WSN,
dimana sistem kerjanya
pada dasarnya hampir
sama dengan sistem
kerja jaringan WSN
secara umum. Data
dapat diakses melalui
internet baik browser
maupun mobile device
Contoh Implementasi WSN di
Kehidupan Nyata (Cont.)
FireBug
•
•
•
•
•
Sistem Instrumentasi Wildfire
Menggunakan Sensor Jaringan
Memungkinkan analisis prediksi terhadap
perkembangan perilaku api
Firebugs: GPS-enabled, sensor termal
nirkabel nodes berdasarkan TinyOS yang
mengorganisasikan diri ke dalam jaringan
untuk mengumpulkan data real time
dalam lingkungan yang sering terjadi
kebakaran liar
Software arsitektur: Beberapa lapisan
berinteraksi (Sensor, Pengolahan data
sensor, pusat komando)
Sebuah proyek oleh University of
California, Berkeley, CA.
Contoh Implementasi WSN di
Kehidupan Nyata (Cont.)
Pemantauan Habitat di pulau
Great Duck
Intel Research Laboratory di
Berkeley memulai kerjasama
dengan Universitas Atlantik di Bar
Harbor dan University of California
di Berkeley untuk menyebarkan
jaringan sensor nirkabel pada
Great Duck Island, Maine (pada
tahun 2002)
Memantau iklim mikro di dan
sekitar liang bersarang yang
digunakan oleh burung Leach’s
Storm Petrel
Struktur Topologi WSN

Star Network

Mesh Network

Hybrid Star
Star Network

Sebuah jaringan Star adalah topologi komunikasi di mana satu base station dapat
mengirim dan / atau menerima pesan ke sejumlah remote node

Remote node tidak diizinkan untuk mengirim pesan satu sama lain
Keuntungan dan Kerugian

Keuntungan dari jenis jaringan ini untuk Wireless Sensor Network meliputi
kesederhanaan, kemampuan untuk menjaga konsumsi daya remote node
seminimum mungkin. Hal ini juga memungkinkan latensi komunikasi rendah antara
remote node dan base station

Kerugian dari jaringan tersebut adalah bahwa base station harus berada dalam
jangkauan transmisi radio semua node individu dan tidak sekuat/sama kekuatannya
dengan jaringan lain karena ketergantungannya pada node tunggal untuk
mengelola jaringan
Mesh Network

Sebuah jaringan Mesh memungkinkan transmisi data ke satu node ke node lain dalam
jaringan dalam jangkauan transmisi radio

Hal ini memungkinkan untuk apa yang dikenal sebagai komunikasi multi-hop, yaitu, jika
sebuah node ingin mengirim pesan ke node lain yang berada di luar jangkauan
komunikasi radio, dapat menggunakan simpul menengah untuk meneruskan pesan ke
node yang diinginkan
Keuntungan dan Kerugian

Topologi jaringan ini memiliki keuntungan akan redundansi dan skalabilitas.
Jika node individu gagal, remote node masih dapat berkomunikasi dengan
node lain dalam jangkauan, yang pada gilirannya, dapat meneruskan pesan
ke lokasi yang diinginkan. Selain itu, jangkauan jaringan tidak selalu dibatasi
oleh rentang antara node tunggal, melainkan dapat diperpanjang dengan
menambahkan node lagi ke sistem

Kerugian dari jenis jaringan ini yaitu dalam konsumsi daya untuk node yang
menerapkan multi-hop komunikasi umumnya lebih tinggi daripada untuk node
yang tidak memiliki kemampuan ini, oleh karena itu sering membatasi masa
pakai baterai. Selain itu, karena jumlah komunikasi hop ke tujuan meningkat,
waktu untuk menyampaikan pesan juga meningkat, terutama jika operasi
daya rendah dari node adalah suatu kebutuhan
Hybrid Star-Mesh

Sebuah jaringan hybrid antara Star dan Mesh menyediakan jaringan komunikasi yang
kuat dan serbaguna, dengan tetap mempertahankan kemampuan untuk menjaga
konsumsi daya node sensor nirkabel seminimum mungkin

Dalam topologi jaringan ini, node sensor dengan daya terendah tidak diaktifkan dengan
kemampuan untuk meneruskan pesan. Hal ini memungkinkan untuk konsumsi daya
minimal tetap dipertahankan
Hybrid Star-Mesh
Namun, node lain pada jaringan diaktifkan dengan kemampuan
multi-hop, yang memungkinkan mereka untuk meneruskan pesan dari
node daya rendah ke node lain pada jaringan. Umumnya, node
dengan kemampuan multi-hop memiliki kekuatan yang lebih tinggi,
dan jika mungkin, sering dihubungkan ke dalam saluran listrik. Ini
adalah topologi yang diimplementasikan oleh standar jaringan Mesh
yang dikenal sebagai ZigBee
Protocol Stack WSN
Masing-masing node sensor yang tersebar memiliki kemampuan
untuk mengumpulkan data dan menyalurkan data kembali ke Sink
dan pengguna akhir. Data diarahkan kembali ke pengguna akhir
dengan arsitektur infrastructure-less melalui Sink. Sink dapat
berkomunikasi dengan task manager node melalui internet atau
satelit
Protocol Stack WSN (Cont.)

Protocol stack yang dipakai oleh sink dan node sensor ditunjukkan
pada gambar dibawah ini. Protocol stack ini menggabungkan
kekuatan dan routing awareness , mengintegrasikan data dengan
protokol jaringan, menyalurkan daya secara efisien melalui media
nirkabel dan mengedepankan kerja koperatif dari node sensor
Protocol Stack WSN (Cont.)

Protocol stack terdiri dari application layer, transport layer, network layer,
data link layer, physical layer, power management plane, mobility
management plane, dan task management plane

Berbagai jenis perangkat lunak aplikasi dapat dibangun dan digunakan
pada application layer tergantung pada tugas yang akan dilakukan.
Lapisan ini membuat hardware dan software dari lapisan terendah secara
transparan ke pengguna akhir. Transport layer membantu untuk
mempertahankan
aliran
data
jika
aplikasi
sensor
jaringan
membutuhkannya. Network layer mengurus routing data yang diberikan
oleh transport layer
Protocol Stack WSN (Cont.)

Data link layer bertanggung jawab untuk multiplexing aliran data, deteksi
frame, Media Access Control (MAC) dan kontrol kesalahan. Karena
lingkungan yang bising, protokol MAC harus sadar daya dan mampu
meminimalkan tabrakan dengan sinyal yang lain

Lapisan fisik menyediakan kebutuhan sederhana namun penting tentang
modulasi, pemilihan frekuensi, enkripsi data, transmisi dan teknik
penerimaan (sinyal/data)

Selain itu, power, mobility, dan task management planes memantau
kekuatan daya, gerakan, dan distribusi tugas antara node sensor.
Pesawat ini membantu node sensor mengkoordinasikan tugas
penginderaan (sensing) dan menurunkan konsumsi energi secara
keseluruhan
Routing Protocol WSN
Teknik Tradisional

Flooding

Gossiping
Teknik Routing Saat ini

Data Centric Routing

Hierarchical Routing

QoS-based Routing

Location-based Routing
Flooding

Sebuah mekanisme klasik untuk relay data dalam jaringan sensor tanpa
perlu algoritma routing apapun dan pemeliharaan topologi

Setiap node yang menerima paket akan langsung menyiarkannya /
menyebarkannya, jika jumlah hop maksimum paket tidak tercapai
Kekurangan:

Ledakan/Implosion

Overlay

Kebutaan Sumberdaya
Gossiping

Sebuah versi yang sedikit ditingkatkan dari teknik Flooding di mana node
penerima mengirimkan paket ke node tetangga yang dipilih secara acak
yang kemudian memilih node tetangga lainnya untuk meneruskan paket
dan seterusnya.

Keuntungan: menghindari ledakan/Implosion

Kelemahan: delay saat transmisi
Data Centric Routing

Data Centric Routing: protokol Data Centric Routing memiliki arsitektur
dimana Sink yang berkomunikasi dengan aea-area tertentu untuk
mengumpulkan data dari sensor yang terletak di area yang ditentukan.
Sebuah contoh dari protokol tersebut adalah SPIN ((Sensor Protocols for
Information via Negotiation) yang merupakan protokol data-sentris
pertama yang memerlukan negosiasi data antar node untuk
menghilangkan data yang berlebihan dan untuk menghemat energi
Hierarchical Routing

Hierarchical Routing: routing yang berupaya untuk mempertahankan konsumsi
daya untuk node sensor secara efisien dengan melibatkan mereka dalam
komunikasi multi-hop dalam cluster tertentu. Data tersebut kemudian
dikumpulkan dan disatukan dalam rangka mengurangi jumlah pesan yang
dikirim ke Sink. LEACH (Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy) adalah salah
satu pendekatan Hierarchical routing yang pertama untuk jaringan sensor
dimana kelompok node sensor yang dibentuk berdasarkan kekuatan sinyal
yang diterima

Cluster-heads kemudian digunakan sebagai router untuk Sink. Ini akan
menghemat energi karena transmisi hanya akan dilakukan oleh cluster heads
tersebut tidak oleh semua node sensor. Protokol lain sangat terinspirasi oleh
protokol ini, seperti TEEN (Threshold sensitive Energy Efficient sensor Network
protocol) yang dirancang untuk menjadi responsif terhadap perubahan
mendadak dalam merasakan/mendeteksi atribut seperti suhu
QoS-based Routing

QoS-based Routing: protokol ini mempertimbangkan kebutuhan
delay/jeda end-tuned ketika mengatur jalan dalam jaringan sensor. Salah
satu contoh yang terkenal adalah protokol SPEED. Protokol ini bekerja
dengan membuat setiap node mempertahankan informasi tentang
tetangganya dan menggunakan pendekatan geografis untuk
menemukan jalan. Selain itu, SPEED berusaha untuk memastikan
kecepatan tertentu untuk setiap paket dalam jaringan, sehingga setiap
aplikasi dapat memperkirakan delay/jeda end-to-end untuk paket
dengan membagi jarak ke Sink dengan kecepatan paket sebelum
membuat keputusan penerimaan
Location-based Routing

Location-based Routing: Sebagian besar protokol routing untuk sensor jaringan
memerlukan informasi lokasi untuk node sensor. Dalam kebanyakan kasus,
informasi lokasi yang diperlukan untuk menghitung jarak antara dua node
tertentu sehingga konsumsi daya dapat diperkirakan. Karena, tidak ada
skema pengalamatan untuk sensor jaringan seperti alamat IP dan mereka
secara spasial digunakan pada suatu daerah, informasi lokasi dapat
digunakan dalam routing data dalam cara yang hemat daya

Salah satu contoh protokol tersebut adalah GPSR, yang merupakan protokol
serakah. Dalam protokol ini, setiap node memilih hop berikutnya sebagai
tetangga terdekat ke tujuan. Dalam kasus, ketika node (saat ini) lebih jauh ke
tujuan daripada ke semua node tetangganya (kasus seperti ini disebut kasus
kekosongan wilayah), maka digunakan pendekatan perimeter berdasarkan
konsep grafik planar
Multihop Routing

Masalah minimisasi daya dalam WSN adalah hal yang
dipertimbangkan. Data yang dikirimkan ke BS dari K SNs
didistribusikan ke seluruh area sel BS. SNs dapat berkomunikasi
dengan BS menggunakan teknologi komunikasi jarak jauh
(misalnya, UMTS / HSPA, WiMAX atau LTE), atau dengan SNs
tetangga menggunakan teknologi jarak pendek (misalnya,
Bluetooth atau WLAN)
Multihop Routing (Cont.)

Sebuah protokol untuk komunikasi multihop yang efisien dalam
penggunaan daya dalam WSN disajikan dan dianalisis. Dalam
pendekatan yang disajikan, SN membentuk cluster atau kelompok. Dalam
setiap cluster, SNs berkomunikasi satu sama lain melalui link/jaringan
multihop, dan SN pada hop terakhir berkomunikasi dengan BS dengan
menyampaikan data multihop agregat.

Dengan demikian, kerjasama antara SN dimanfaatkan untuk kepentingan
efisiensi energi
Multihop Routing (Cont.)

Setiap SN mentransmisikan data yang diukur/ditangkap untuk
tujuan tunggal, yang dapat berupa BS atau SN lain. Disini
dipertimbangkan masalah minimisasi energi diselesaikan dengan
multihop / clustering. BS dan SN dilambangkan sebagai "node",
dengan node k = 0 sesuai dengan BS dan node k = 1, ..., K sesuai
SNs
Multihop Routing (Cont.)

Seperti ditunjukkan dalam Gambar. 1, node tersebut muncul untuk membentuk Direct Acyclic
Graph(DAG) mulai dari node k = 0. Jika node j menerima data dari simpul k pada hop h, parameter
diatur ke satu, menandai adanya garis dalam grafik antara k dan j. Jika tidak,
diatur ke nol.

Disini Cj didefinisikan sebagai himpunan anak-anak dari j, yaitu, himpunan node yang mengirim data
langsung ke j:

Himpunan Dj didefinisikan sebagai sub-DAG mulai dari j, yaitu, menganggap j sebagai akarnya. Ini
termasuk j, anak-anaknya, anak dari anak-anaknya, dst. Dengan demikian, dapat dinyatakan
sebagai:
Multihop Routing (Cont.)
Gambar disamping
menunjukkan model sistem
komunikasi multihop. Jumlah
maksimum hop yang
diperbolehkan (H) dapat
ditentukan sebagai
parameter.
Multihop Routing (Cont.)
Dengan komunikasi dua
hop (kasus H = 2),
masalahnya menjadi
masalah pengelompokan
yang terdiri dari
menemukan
pengelompokan terbaik
SNs ke dalam cluster
terkooperasi, seperti
ditunjukkan pada
gambar disamping
Contoh Aplikasi – Memonitor Kualitas
Udara

Aplikasi penting WSN adalah memonitor parameter lingkungan. Dengan
kemajuan dalam produksi kecil, akurat, sensor daya rendah, hal ini
menjadi lebih dan lebih mungkin untuk menyebarkan WSN untuk terus
memantau kualitas udara. WSN akan melaporkan konsentrasi beberapa
polutan di atmosfer, dan hasil dari pengumpulan dan pengukuran data
dapat dilaporkan dan dilihat oleh masyarakat umum melalui website
khusus, aplikasi mobile, dll.
Contoh Aplikasi – Memonitor Kualitas
Udara (Cont.)
Selain itu, hasil pengukuran
yang
tersimpan
dapat
dilihat oleh para ilmuwan
ahli
lingkungan
untuk
menganalisis dan menilai
informasi
polusi
dalam
rangka untuk menyerahkan
rekomendasi
kepada
otoritas
terkait
untuk
mengambil tindakan yang
tepat
Sistem
model
untuk
pemantauan polusi udara
ditampilkan pada gambar
disamping
Contoh Aplikasi – Memonitor Kualitas
Udara (Cont.)
Setiap BS mencakup sel daerah tertentu, di mana beberapa SNs dikerahkan
untuk memantau parameter lingkungan. Arsitektur mengikuti pendekatan
three-tier:

Sensor node (SNs): meliputi sensor, mengukur polutan yang akan
dimonitor, misalnya, CO, NOx, Ozon, dan Particulate Matter (PM), di
samping parameter lingkungan lain seperti kelembaban relatif dan suhu

Database server: data yang diterima di BS dikirim ke server database di
mana disimpan menggunakan format umum dalam rangka untuk
mengotomatisasi ekstraksi dan analisis. Data diukur mungkin : ada yang
hilang, berisik, atau salah nilai. Pengecekan integritas data harus
dilakukan sebelum menyimpan data untuk penggunaan selanjutnya.
Setelah itu, data menjadi siap untuk analisis dan tampilan
Contoh Aplikasi – Memonitor Kualitas
Udara (Cont.)

Klien tier: terdiri dari aplikasi client-side yang berjalan pada komputer atau
mobile perangkat, misalnya ponsel pintar. Aplikasi ini mengakses jaringan
melalui server, yang meneruskan data yang tersimpan diterima dari
sensor. Contoh aplikasi termasuk situs web yang terus diperbarui secara
berkala dengan ringkasan data dan statistik, visualisasi data dengan
tampilan lokasi sensor pada peta (bersama dengan pengukuran masingmasing SN), dan aplikasi penyebaran data seperti SMS alert yang
berkaitan dengan tingkat polusi di daerah tertentu