Penghematan Daya Pada Sensor Node Menggunakan Metode

18
Jurnal Teknik Elektro dan Komputer, Vol.1, No.1, April 2013, 18-28
Penghematan Daya Pada Sensor Node Menggunakan Metode
Pengaturan Waktu Kirim Data
Deny Syafril1, Yusmar Palapa Wijaya2, Putri Madona3
1,2,3
Program Studi Teknik Elektronika, Politeknik Caltex Riau
Jln. Umbansari no 1 Rumbai Pekanbaru- Riau
Email : [email protected] , [email protected] , [email protected]
Abstrak
Wireless Sensor Network (WSN) merupakan sebuah perangkat jaringan nirkabel yang digunakan
untuk memonitoring kondisi lingkungan sekitar, seperti suhu, getaran, tekanan ,dan lain-lain.
Penggunaan Wireless Sensor Network (WSN) saat ini telah menjadi sebuah pembahasan yang
menarik karena berbagai macam aplikasinya. Salah satu bagian yang sedang marak dikembangkan
adalah penghematan konsumsi daya sensor node pada aplikasi Wireless Sensor Network. Pada proyek
akhir ini, dipaparkan pembuatan sensor node yang dapat menghemat konsumsi daya dengan pengaturan
waktu pengiriman data. Sensor node menggunakan mikrokontroler ATMega8535 sebagai pengendali
sistem, RTC sebagai pengatur waktu pengiriman data, relay sebagai saklar daya dan sensor LM35
sebagai sensor suhu serta KYL1020U sebagai media pengiriman data. Hasil keseluruhan dengan
pengaturan waktu pada sensor node dapat mengirim data setiap menit aktif selama 10 detik berjalan
sempurna menghemat daya yang dibandingkan dengan sensor node yang selalu aktif. Konsumsi daya
baterai lebih hemat 6 jam pada saat sensor node yang diatur waktu pemakaiannya dibandingkan
sensor node yang tidak ada pengaturan waktunya(aktif secara terus menerus).
Kata kunci: wireless sensor network, sensor node, KYL1020U, konsumsi daya.
Abstract
Wireless Sensor Network (WSN) is a wireless networking tools that is used to monitor environmental
conditions, such as temperature, vibration, pressure, and others. Use of Wireless Sensor Network (WSN)
has now become an interesting discussion for a variety of applications. One of the emerging development
is the power consumption minimization of sensor nodes in Wireless Sensor Network applications. In this
paper, we described the manufacture of sensor nodes which can save power consumption by setting time
data delivery. Sensor nodes using ATMega8535 microcontroller as the system controller, timer RTC as
data transmission, the relay as the power switch and sensor LM35 temperature sensors as well as
KYL1020U as the data transmission medium. The overall results with the timing of the sensor node can
send data every minute active for 10 seconds to be perfect to save power compared to the sensor nodes
are always active. Power consumption 6 hours battery more efficient when the sensor node is set usage
time than the sensor node that does not exist the timing (continuous current).
Keywords: wireless sensor network,sensor node,KYL1020U, power consumption
1
Pendahuluan
Wireless Sensor Network (WSN) merupakan teknologi pemantauan yang terdiri atas
node sensor yang tersebar dan di koordinasikan menggunakan sebuah sistem jaringan nirkabel.
Setiap node memiliki kemampuan untuk pengolahan data (mikrokontroler, CPU atau chip DSP),
memiliki memori (program, data, memori flash), RF transceiver, sistem catu daya (baterai atau
sel surya), dan melibatkan satu atau lebih sensor serta aktuator [1]. Pada [2], sistem WSN
memiliki tingkat efesiensi lebih tinggi dibandingkan dengan sistem jaringan berbasis kabel dari
segi biaya, fleksibilitas dan reliabilitas serta diprediksi akan menggantikan teknologi hybrid (
berbasis kabel dan nirkabel) dalam beberapa tahun mendatang.
Teknologi WSN dapat diterapkan di berbagai bidang yang memerlukan pemantauan
data secara teratur. Sebagai contoh adalah ahli lingkungan yang memantau habitat sebuah
kawasan, pemantauan kebakaran lading kering (fire bug), perawatan preventif pada oil tanker
Penghematan Daya Pada Sensor Node Menggunakan …
19
menggunakan pendukung jaringan sensor, atau pengamatan lingkungan gunung yang memilki
parameter seismik sehingga secara jarak jauh dapat dipantau tingkat keaktifan gunung tersebut.
Area perkotaan dapat juga memanfaatkan teknologi ini seperti pada [4], WSN dapat memantau
polusi udara, kekuatan gedung, bahaya banjir, level keriuhan (noise) dan umpan video, dimana
semuanya dapat di amati melalui visualisasi data menggunakan konsep Geographic Information
System (GIS).
Pada perkembangan teknologi node sensor, konsumsi daya merupakan salah satu hal
penting untuk diteliti. Hal ini dikarenakan pada penerapan WSN, node sensor akan diletakkan
tersebar di sebuah lingkungan yang jauh dari pusat pemantau dan diharapkan dapat aktif dalam
waktu yang lama. Pengelolaan konsumsi daya dapat dilakukan dengan mengatur waktu
pengiriman data menggunakan transceiver [6]. Pada penelitian ini dikembangkan sebuah node
sensor yang menggunakan pengaturan waktu kirim sebagai metode untuk menambah masa
pakai baterai.
2
Dasar Teori
2.1
Mikrokontroler AVR ATmega8335
AVR termasuk ke dalam jenis mikrokontroler RISC (Reduced Instruction Set
Computing) 8 bit. Berbeda dengan mikrokontroler keluarga MCS-51 yang berteknologi
CISC (Complex Instruction Set Computing). Pada mikrokontroler dengan teknologi RISC
semua instruksi dikemas dalam kode 16 bit (16 bits words) dan sebagian besar instruksi
dieksekusi dalam 1 clock, sedangkan pada teknologi CISC seperti yang diterapkan pada
mikrokontroler MCS-51, untuk menjalankan sebuah instruksi dibutuhkan waktu sebanyak
12 siklus clock. ATmega8535 memiliki 4 port I/O dan memiliki ADC internal 8 kanal dengan
resolusi 10-bit.
2.2
Sensor Suhu LM35
Sensor suhu LM35 adalah komponen elektronika yang memiliki fungsi untuk
mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. LM35 memiliki
keakuratan tinggi dan kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang
lain. LM35 juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi
sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus serta tidak
memerlukan penyetelan lanjutan. Tiga pin LM35 menujukan fungsi masing-masing pin
diantaranya, pin 1 berfungsi sebagai sumber tegangan kerja dari LM35, pin 2 atau
tengah digunakan sebagai tegangan keluaran atau Vout dengan jangkauan kerja dari 0 Volt
sampai dengan 1,5 Volt dengan tegangan operasi sensor LM35 yang dapat digunakan
antar 4 Volt sampai 30 Volt.
2.3
Real Time Clock (RTC)
RTC adalah jenis pewaktu yang bekerja berdasarkan waktu yang sebenarnya atau
dengan kata lain berdasarkan waktu yang ada pada jam kita. Agar dapat berfungsi,
pewaktu ini membutuhkan dua parameter utama yang harus ditentukan, yaitu pada saat
mulai (start) dan pada saat berhenti (stop). Salah satu chip RTC yang relatif mudah didapat
dipasaran adalah DS1307. Sebuah chip RTC yang berkomunikasi ke mikrokontroler melalui
saluran I2C.
2.4
Relay
Relay adalah saklar elektronik yang dapat membuka atau menutup rangkaian
dengan menggunakan kontrol dari rangkaian elektronik lain. Sebuah relay tersusun
20
Deny Syafril, Yusmar Palapa Wijaya , Putri Madona
atas kumparan, pegas, saklar (terhubung pada pegas) dan 2 kontak elektronik (normally
close dan normally open)
1. Normally close (NC) : saklar terhubung dengan kontak ini saat relay tidak aktif atau
dapat dikatakan saklar dalam kondisi terbuka.
2. Normally open (NO) : saklar terhubung dengan kontak ini saat relay aktif atau dapat
dikatakan saklar dalam kondisi tertutup.
2.5
KYL 1020U
Kyl 1020U digunakan sebagai media transmisi untuk mengirimkan data yang terdeteksi
oleh sensor-sensor secara nirkabel. Untuk dapat mengirimkan data serial melalui udara
minimal diperlukan suatu device yang dapat melakukan proses penumpangan data serial
digital ke frekuensi pembawa dengan frekuensi yang lebih tinggi untuk kemudian
dipancarkan ke udara. Salah satu contoh device yang dapat melakukan hal tersebut adalah
modul Kyl 1020U Wireless Transceiver. Modul Kyl 1020U Wireless Data Transceiver dapat
mengirimkan dan menerima data serial melalui media udara, dengan frekuensi 433/868/915
MHz dan baud rate air sebesar 9600bps. (Yonggi, 2011) Penggunaan modul tersebut cukup
praktis karena dari segi ukuran cukup kecil dan langsung dapat dihubungkan dengan RS232.
Modul tersebut bekerja dengan supply antara 3,3 sampai 5 VDC. Dalam satu modul bisa
digunakan sebagai pengirim dan sekaligus penerima. Data serial yang akan dipancarkan melalui
RF diumpamakan ke modul Kyl 1020U oleh mikrokontroler secara serial. Begitu pula data yang
di terima, akan di ambil oleh mikrokontroler secara serial. Jarak yang bisa ditempuhnya sekitar
100 m – 5Km. Baudrate di udara 1200 bps, 2400 bps, 4800 bps, 9600 bps, 19200 bps, atau
38400 bps. Modulasi GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying) sehingga sangat anti
interferensi dan BER (Bit Error Rate) yang rendah.
Gambar 1
2.6
KyL 1020U.
Visual Basic 6
Visual Basic merupakan suatu development tools untuk membangun aplikasi
dalam lingkungan Windows. Visual Basic menggunakan pendekatan Visual untuk
merancang user interface dalam bentuk form, sedangkan untuk coding-nya menggunakan
bahasa Basic. Pada pemrograman Visual, pengembangan aplikasi dimulai dengan
pembentukkan
user interface, kemudian mengatur properti dari objek-objek yang
digunakan dalam
user interface, dan baru dilakukan penulisan kode program untuk
menangani
kejadian-kejadian
(event).
Visual
Basic
menyediakan komponen
MSCOMM32.OCX yang dapat digunakan untuk mengakses data dari atau ke port serial
computer [6].
Penghematan Daya Pada Sensor Node Menggunakan …
3
21
Perencanaan Sistem
Blok Dagram rangkaian Node Sensor
Gambar 2
Power atau catu daya berfungsi sebagai penyedia daya pada perangkat node. RTC
berfungsi sebagai pengatur waktu, tujuannya adalah agar node sensor tidak selalu aktif
melakukan pengiriman data. RTC mengirim data waktu kepada mikrokontroler yang berarti
sinyal aktif transceiver atau bukan. Mikrokontroler berfungsi untuk mengolah data lalu
mengirim data ke pemantau atau PC. Data sensor berupa sinyal analog selanjutnya
dikonversi memanfaatkan Analog-to-Digital Converter (ADC), kemudian dikirim secara
nirkabel dengan bantuan modul KYL1020U. Saat waktu dalam keadaan aktif maka sensor
mengambil data suhu lalu data sensor diolah oleh mikrokontroler dan dikirim menggunakan
bantuan modul KYL1020U. Sebaliknya pada saat waktu pada RTC menunjukkan tidak
aktif maka tidak terjadi proses pengiriman data.
3.1
Rangkaian Mikrokontroler
Rangkaian single chip ini berfungsi sebagai media agar mikrokontroler ATMega8535
dapat bekerja dengan baik. Diagram skematik rangkaian single chip ATMega8535 dapat dilihat
pada Gambar 3.
Gambar 3
Rangkaian Sistem Minimum ATmega8535
Sebagai input pada mikrokontroler digunakan PORTA.0, sedangkan PORTD.14 dan
PORTD.15 digunakan untuk mentransfer data dalam komunikasi serial yang dihubungkan
22
Deny Syafril, Yusmar Palapa Wijaya , Putri Madona
pada modul wireless KYL 1020U. PORTD.16 digunakan untuk koil pada relay. PORTC.22 dan
PORTD.23 digunakan untuk RTC.
Gambar 4
3.2
Sistem Minimum ATmega8535
Rangkaian Sensor LM35
Rangkaian ini terdiri dari sebuah IC LM35 yang menghasilkan nilai suhu analog.
Keluaran IC diolah langsung oleh ADC Atmega8535 sednagkan sensitivitas sensor adalah 10
mV/derajat celcius. IC LM35 ini didukung oleh sebuah kapasitor dan sebuah resistor dimana
fungsi kedua komponen ini untuk menstabilkan tegangan yang keluar dari IC tersebut.
Gambar 5
3.3
Rangkaian LM35
Transceiver
RF Data Transceiver KYL1020U adalah sebuah piranti atau komponen yang dapat
mengirimkan data serial melalui media udara. Piranti tersebut melakukan proses
penumpangan data serial digital ke frekuensi pembawa dengan frekuensi yang lebih tinggi
untuk kemudian dipancarkan ke udara oleh pemancar.
Penghematan Daya Pada Sensor Node Menggunakan …
Gambar 6
3.4
23
Rangkaian mikrokontroler yang dihubungkan dengan KyL 1020U
Rangkaian Relay
Rangkaian ini terdiri dari 2 buah kontak NO (Normaly Open) dimana koil pada relay
dihubungkan ke mikrokontroler untuk pengaturan waktu aktif relay. Pada perangkat ini
aktivasi tersebut turut mengaktifkan KYL1020U dalam mengirim data suhu. Untuk gambar
rangkaian secara keseluruhan ditampilkan pada gambar 8.
Gambar 7
Gambar 8
3.5
Rangkaian Relay
Rangkaian Node Sensor
Flowchart
Pada pemrograman mikrokontroler ATmega8535 digunakan flowchart seperti pada
gambar 9(a) dan untuk perograman VB digunakan flowchart seperti pada gamabar 9(b).
24
Deny Syafril, Yusmar Palapa Wijaya , Putri Madona
(a)
Gambar 9
(b)
(a) Flowchart pada mikrokontroler dan (b) Flowchart pada Visual Basic
4
Pengujian
4.1
Pengujian LM35
Tegangan awal pada output LM35 dengan supply 5V sebesar 0,30 V, ini
merupakan output tegangan pada suhu normal (suhu ruangan), hasil yang didapat sesuai
teori untuk suhu ruangan sekitar 30-32 derajat Celcius maka tegangan output LM35 adalah
0,30V - 0,32V, karena setiap kenaikan 1 derajat Celcius tegangan output dari LM35
adalah 10mV. Dan setelah dinaikkan suhu dengan mendekatkan api pada sensor LM35 tersebut,
tegangan akan naik, ini menunjukkan sensor suhu LM35 bekerja.
Gambar 10 Pengujian Sensor saat dipanaskan
Penghematan Daya Pada Sensor Node Menggunakan …
4.2
25
Pengiriman data menggunakan KyL 1020U
Untuk pengujian KYL 1020U ini, setelah aktivasi rangkaian server atau bagian
receiver kemudian kita jalankan hyperterminal- nya. Pengujian adalah dengan cara
mengirimkan data dari mikrokontroller dengan satu node saja dan langsung dikirim KYL
ke server dan ditampilkan ke hyperterminal.
Gambar 11 Tampilan data hasil penerimaan pada receiver melalui hyperterminal
4.3
Pengukuran Daya Baterai
Untuk melihat pengaruh penggunaan daya tanpa atau menggunakan set waktu kirim,
dilakukan pengukuran penggunaan daya baterai. Untuk pengujian daya baterai pertama sekali
harus mengukur tegangan awalnya yaitu 9.11 volt dimana arus yang terukur sebesar 4.49
mA. Setelah diukur didapat daya awal baterai yang akan digunakan yaitu 41mW. Untuk
pengujian selanjutnya, baterai digunakan selama 1 jam dan kembali diukur tegangan dan arus
yang tersisa pada baterai. Dimana tegangan yang terukur sebesar 8.84 volt dan arus
sebesar 4.38 mW. Maka dapat dilihat perbandingan tegangan dan arus baterai selama 1 jam
adalah sekitar 0.27 volt dan arus sebesar 0.11mW. Mengatur waktu pemakaian dari sensor
node, baterai dapat bertahan selama 15 jam pemakaian diukur kembali tegangan sebesar
6.07 V dimana arus yang terukur sebesar 3.04 A, daya baterai berubah menjadi 18.45mW.
Pada daya baterai 18.45mW alat tidak dapat mengirim data secara wireless dan sistem
pada mikrokontroler tidak bekerja.
Pada tabel 1 hasil pengujian daya baterai yang tidak menggunakan pengaturan waktu
atau alat secara terus menerus mengirim data. Pada tabel 2, hasil pengujian daya baterai dengan
pengaturan waktu setiap menit aktif selama 10 detik.
Dari hasil pengujian dapat dibandingkan berapa lama tahan baterai pada saat di atur
waktu pemakaian alat dengan yang tidak di atur waktu pemakaiannya. Pada sistem dimana
telah di atur waktu pemakaiannya setiap menit dan alat menyala selama 10 detik, baterai
bertahan selama lebih kurang 14 jam. Jika dibandingkan dengan yang tidak menggunakan
waktu atau alat bekerja terus, baterai hanya tahan selama 8 jam. Dapat dilihat pada kurva
perbandingan antara pemakaian baterai yang diatur waktunya dengan yang tidak diatur
waktunya pada gambar 12.
26
Deny Syafril, Yusmar Palapa Wijaya , Putri Madona
Tabel 1
Tabel 2
Pengukuran daya baterai versus waktu tanpa pengaturan waktu kirim
Waktu
(Jam)
Tegangan
(volt)
Arus
(mA)
Daya Baterai
(mW)
Koneksi
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
8,84
8,65
8,48
8,26
8,05
7,83
7,74
7,6
7,48
7,25
6,97
6,73
6,58
6,36
6,07
4,38
4,29
4,2
4,12
4,02
3,91
3,85
3,75
3,7
3,58
3,59
3,43
3,35
3,24
3,04
38,72
37,11
35,62
34,03
32,36
30,62
29,80
28,50
27,68
25,96
25,02
23,08
22,04
20,61
18,45
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
NO
Pengukuran daya baterai versus waktu menggunakan pengaturan waktu kirim
Waktu
(Jam)
Tegangan
(volt)
Arus
(mA)
Daya Baterai
(mW)
Koneksi
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
8,84
8,31
8,05
7,8
7,64
7,36
7,04
6,45
5,99
5,76
5,38
5,02
4,79
4,37
4,15
4,37
4,15
3,98
3,83
3,76
3,61
3,34
3,07
2,83
2,65
2,54
2,32
2,12
1,95
1,69
38,63
34,49
32,04
29,87
28,73
26,57
23,51
19,80
16,95
15,26
13,67
11,65
10,15
8,52
7,01
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
OK
NO
NO
NO
NO
NO
NO
NO
Penghematan Daya Pada Sensor Node Menggunakan …
27
Gambar 12 Grafik perbandingan pemakaian daya baterai
Dapat dilihat pada kurva perbandingan pemakaian daya baterai bahwa lebih hemat
pemakaian daya yang diatur waktunya (ST) dibandingkan yang tidak diatur (NST). Pada
ST bertahan pada 14 jam pemakaian sedangkan NST hanya bertahan 8 jam pemakaian. Pada
gambar 14 merupakan tampilan pembacaan sensor node pada visual basic. Dimana data
muncul setiap menit selama 10 detik, apabila setelah 10 detik pertama data pada
pembacaan suhu akan hilang
Gambar 13 Tampilan pada VB
5
Kesimpulan
Pada sistem ini menghasilkan perbandingan data antara tanpa pengaturan waktu kirim
dan menggunakan waktu kirim. Penggunaan baterai lebih hemat 6 jam pada saat sensor node
yang diatur waktu pemakaiannya jika dibandingkan Node sensor yang tidak ada pengaturan
waktunya (aktif secara terus menerus). Pada daya baterai 18.45mW, perangkat node sensor
tidak dapat mengirim data secara nirkabel dan sistem pada mikrokontroler tidak bekerja.
28
6
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
Deny Syafril, Yusmar Palapa Wijaya , Putri Madona
Daftar Pustaka
Stankovic, John A.,Wireless Sensor Network, Department of Computer Science,
University of Virginia, 2006
Wayne Manges., It's Time for Sensors to Go Wireless. Part 1: Technological
Underpinnings., Sensors Magazine., April 1999
Kavi K. Khedo, Rajiv Perseedoss and Avinash Mungur, A Wirelees Sensor Network
Air Pollution Monitoring System, International Journal of Wireless & Mobile Networks
(IJWMN), Vol.2,No.2, May 2010
Mohaiyedin Idris, Development Of Wireless Sensor Network For Monitoring Indoor Air
Quality, Thesis, UniversitiSains Malaysia, 2010
María Gabriela Calle Torres, Energy Consumption In Wireless Sensor Networks Using
Gsp, Thesis, Universidad Pontificia Bolivariana, Medellín, Colombia, 1995
Hendhi Hermawan, Ali Husen Alasiry, Bambang Sumantri,Paulus Susetya W,
Rancang Bangun Jejaring Sensor Berbasis Modul Rcm4510w Pada Sistem Akuisisi
Data Cuaca
Senjaya, Gandhy. & Yongghi. P.A2011. Prototipe Wireless Sensor Network (WSN)
sebagai Sistem Pendektesi Dini Kebakaran Hutan menggunakan Media Wireless,
Politeknik Caltex Riau, Pekanbaru.