Jaringan Bergerak dan Nirkabel

Perancangan Penerapan Wireless Sensor Network

Nama Kelompok:

1. Muhammad Sonnie Bestian (13 / 351710 / PTK / 8861) 2. Grifina Nuzulia (13 / / PTK / )3. Irma Yuliana (13 / / PTK / )4. Widhia Oktoeberza KZ (13 / 351610 / PTK / 8854)

Konsentrasi TI

PROGRAM STUDI S2 TEKNIK ELEKTROPROGRAM PASCASARJANA FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS GADJAH MADAIdentifikasi Masalah : Mempertahankan kualitas kentang prapanen dan pascapanen Usulan Judul : Sistem monitoring prapanen dan pascapanen kentang berbasis WSN.PendahuluanSeiring dengan meningkatnya taraf hidup dan kesadaran masyarakat akan pemenuhan gizi yang seimbang, permintaan kentang juga meningkat. Kentang merupakan salah satu sumber gizi berupa karbohidrat, protein, lemak, mineral, vitamin, dan air serta serat yang bermanfaat bagi kesehatan. Saat ini, kentang tidak hanya dinilai dari rasa, namun juga dari penampilan fisik seperti keseragaman ukuran, warna dan bentuk serta kemulusan kulit. Hal lain yang perlu diperhatikan adalah segi kesehatan, kelestarian lingkungan, penampilan, dan kemasan sehingga mampu meningkatkan nilai jual. Tuntutan konsumen saat ini adalah mendapatkan kentang yang bermutu dan aman dikonsumsi. Salah satu upaya yang dapat dilakukan adalah dengan melakukan penanganan prapanen dan pascapanen yang baik. Penerapan penanganan pascapanen masih sangat jauh dari harapan. Saat ini, tingkat kehilangan hasil komoditas buah masih sangat tinggi yaitu antara 20-40%, padahal jika petani memperhatikan dan menilai penting penanganan pascapanen maka tingkat kehilangan dapat ditekan secara maksimal.Penanganan pascapanen merupakan wajah komoditas dan daya tahan dari produk buah. Dikatakan wajah karena dari proses pemetikan hasil sampai dikonsumsi, penampilan merupakan syarat mutu utama yang harus diperhatikan oleh petani agar produk buah yang dihasilkan tersebut terlihat bagus dan menarik, sehingga mampu meningkatkan daya jual produk tersebut. Sedangkan aspek daya tahan, penanganan pascapanen yang baik akan mampu meningkatkan daya simpan dan daya tahan buah selama proses pengangkutan dan waktu tunggu sampai produk tersebut terjual. Saat ini, penanganan pascapanen baru dapat menekan kehilangan hasil antara 2-5%. Hal ini diakibatkan oleh masih terbatasnya sarana pascapanen dan minimnya informasi yang didapatkan petani. Kerusakan buah umumnya terjadi sejak dilakukan pemanenan di lapangan. Berlanjut saat transportasi buah ke tempat pengumpulan sementara. Faktanya, banyak petani yang tidak memiliki sarana tempat pengumpulan sementara sebelum komoditi tersebut sampai ketangan konsumen. Ada yang mengumpulkannya di ruang terbuka, sehingga buah mengalami kontak dengan sinar matahari langsung atau terkena hujan. Ada pula yang mengumpulkannya di gudang/garasi bercampur dengan barang lain seperti pestisida. Buah digemari oleh masyarakat karena rasa dan manfaatnya bagi kesehatan. Namun buah merupakan salah satu komoditi hortikultura yang sifatnya mudah rusak (perishable). Hal ini disebabkan karena walaupun buah sudah dipanen namun masih melakukan aktivitas respirasi sehingga jika tidak dilakukan penanganan pascapanen yang baik, maka terjadi penurunan mutu dan daya simpannya.

Perkembangan WSNBeberapa tahun terakhir, penggunaan dari Wireless Sensor Network (WSN) mengalami peningkatan untuk kegiatan monitoring. Ada beberapa faktor utama yang mempengaruhi kesuksesan tempat penyimpanan buah, yaitu temperatur, kelembapan, konsentrasi gas CO2 serta etilen. Manajer harus menguasai secara optimal kondisi tempat penyimpanan buah dan mengetahui langkah-langkah penanganan yang sebaiknya dilakukan terhadap semua kondisi. Umumnya penyimpanan buah berada dipinggiran kota yang berdekatan dengan daerah penghasil. Hal tersebut membuat manajemen pemantauan tempat penyimpanan buah menjadi tidak efisien, sehingga dibutuhkan sistem pemantau otomatis yang dapat meningkatkan efisiensi manajemen. Tempat penyimpanan buah menghabiskan lahan ribuan meter persegi dan tentu saja harus beradaptasi dengan buah musiman. WSN memiliki banyak keuntungan, seperti self-organization, biaya rendah, konsumsi daya yang rendah, penyebaran yang fleksibel, cakupan yang luas, dan sebagainya, sehingga WSN banyak diterapkan mulai dari bidang militer hingga berbagai bidang sipil. Meskipun kemajuan besar telah dicapai dalam banyak penelitian, tetapi hanya sedikit penelitian yang terfokus pada monitoring tempat penyimpanan.

Rancangan Arsitektur Sistem1. Pra PanenArsitektur monitoring untuk lingkungan pertanian yang berasis WSN meliputi beberapa sensor, sink node, pusat kontrol dan sistem komunikasi. Sejumlah sensor ditempatkan pada masing-masing buah dan ditempatkan dibeberapa titik sudut dari lahan pertanian untuk membangun self-organization untuk memonitor kadar air hujan yang turun dan serangan hama yang menyerang tanaman supaya dapat dilakukan kadar obat yang diberikan untuk melindungi tanaman dari serangan hama. Agar lebih akurat diperlukan suatu apikasi yang bisa menampilkan dari gambar keadaan pertanian tersebut. Node umum akan mengumpulkan data yang dikirimkan kepada sink node. Kemudian, data dikirim oleh sink node dan disimpan kedalam database pada pusat kontrol. Pusat kontrol bisa mengirim informasi kontrol ke beberapa node jaringan. Demikian juga, data remote bisa dipancarkan ke pusat kontrol dengan sink node. Sink node berlaku sebagai media komunikasi antara node umum dan pusat kontrol, karena keduanya tidak bisa saling berkirim pesan secara langsung. 2. Pasca PanenArsitektur monitoring lingkungan tempat penyimpanan berbasis WSN terdiri dari sensor node umum, sink node, pusat kontrol, dan sistem komunikasi. Sejumlah sensor dapat ditempatkan pada area penyimpanan dan membangun jaringan self-organization untuk memonitor perubahan data termasuk temperatur, kelembapan, konsentrasi gas, dan lainnya. Agar sistem monitoring semakin komplit dan akurat, maka perlu melibatkan gambar dan video dalam sistem jaringan sensor untuk beberapa aplikasi. Perangkat gambar dapat disesuaikan dengan kebutuhan aplikasi dan ketersediaan biaya. Node umum akan mengumpulkan data yang dikirimkan kepada sink node. Kemudian, data dikirim oleh sink node dan disimpan kedalam database pada pusat kontrol. Pusat kontrol bisa mengirim informasi kontrol ke beberapa node jaringan. Demikian juga, data remote bisa dipancarkan ke pusat kontrol dengan sink node. Sink node berlaku sebagai media komunikasi antara node umum dan pusat kontrol, karena keduanya tidak bisa saling berkirim pesan secara langsung. Tabel 1 Data Spesifikasi Penyimpanan KentangSuhu optimal penyimpananChill Point

Kelembapan optimumProduksi etilen Sensitive terhadap etilen

7-10 C3C90-95%TidakYa

Sumber : The Engineering Tool Box for Technical Application

GatewayModem CDMA digunakan untuk menghubungkan WSN ke internet dan user mengakses data melalui browser. Pada arsitektur ini, hanya IP public yang dibuthkan untuk area sink node.

Gambar 1. Arsitektur systemHardwareSensor node adalah platform dasar dari WSN. Sensor node terdiri dari 5 bagian, yaitu modul sensor, modul konversi analog/digital (A/D), modul pemroses, modul wireless communication, dan modul power. Modul sensor digunakan untuk pra panen untuk mengumpulkan data dari hama dan kadar air hujan dan modul sensor untuk pascapanen untuk mengumpulkan temperature, kelembapan, konsentrasi gas dan parameter lainnya. Modul konversi analog/digital (A/D) bertugas untuk mengubah sinyal analog yang datang dari modul sensor menjadi sinyal digital yang dapat dikenali oleh unit pemroses. Modul pemroses akan mengontrol operasi sensor node, menyimpan dan memroses data yang dikumpulkan, serta perhitungan dan analisis sederhana. Modul wireless communication berbasis teknologi ZigBee yang merupakan cakupan dari protokol wireless IEEE 802.15.4, bertugas mengontrol pertukaran informasi, mengirim dan menerima data. Perangkat ZigBee dalam jaringan dapat berkomunikasi dengan kecepatan hingga 250kbps, walaupun secara fisik terpisah pada jarak ratusan meter. Berdasarkan pada teknologi komunikasi jaringan ZigBee dan teknologi mikroprosesor, sistem dapat menangani berbagai parameter operasi pengiriman jarak jauh, mengumpulkan data dan monitoring secara real-time. Modul power menyediakan energi/daya untuk modul sensor, modul konversi A/D, modul pemroses, dan modul wireless communication. Bagian terpenting dari node sensor, prosesor dan chip wireless memanfaatkan CC2430. Chip meliputi 2.4GHz RF transceiver dan standar industri ditingkatkan menjadi 8.051 MCU, 32/64/128 KB flash memory, 8 KB RAM dan beberapa fitur canggih lainnya. Dengan demikian dapat memenuhi kebutuhan IEEE 802.15.4 berbasi ZigBee yang memiliki performa tinggi dan daya yang rendah.

Gambar 2. Rangkaian aplikasi CC2430 dengan I/O dan interface ADC yang tidak terhubung

Sensor-sensor yang digunakan dalam perancangan alat ini adalah sebagai berikut :1. Sensor kelembapan dan suhu

Gambar 3. Sensor HSM-20GCara Kerja :Sebuahsingle chipsensor suhu dan kelembaban relatif dengan multi modul sensor yang outputnya telah dikalibrasi secara digital. Dibagian dalamnya terdapat kapasitas polimer sebagai eleman untuk sensor kelembaban relatif dan sebuah pita regangan yang digunakan sebagai sensor temperatur. Sensor ini mengahasilkan sinyal keluaran yang baik dengan waktu respon yang cepat. HSM-20G ini dikalibrasi pada ruangan denagn kelembaban yang teliti menggunakan hygrometer sebagai referensinya. Koefisien kalibrasinya telah diprogramkan kedalam OTP memory. Koefisien tersebut akan digunakan untuk mengaklibrasi keluaran dari sensor selama proses pengukuran.Spesifikasi :Tabel 2. Spesifikasi Sensor HSM-20G

2. Sensor CO2

Gambar 4. Sensor MQ-135Cara Kerja :CDM 4160 merupakan modul sensor gas yang dapat digunakan untuk menentukan kadar karbon dioksida yang terdapat pada udara. Modul ini berbasiskan sensor TGS 4160 yang sudah dikalibrasi dan mampu melakukan pendeteksian gas karbon dioksida dengan range 400 - 45000 ppm. Sensor CO2 ditunjukkan dalam Gambar . CDM 4160 adalah unit baru yang menggunakan TGS 4160, tahan lama padat elektrolit sensor CO2 Figaro. Dengan penerapan tegangan DC ke modul, tegangan keluaran analog sebanding dengan kosentrasi CO2 dapat diperoleh. Modul ini dapat menghasilkan sinyal control berdasarkan kosentrasi ambang batas yang dapat dipilih pengguna.

Spesifikasi :Tabel 3. Spesifikasi Sensor MQ-135

Untuk menyatukan data, algoritma posisi dan komputasi lainnya akan dipenuhi oleh sink node. Oleh karena itu perlu prosesor yang handal akan tersebut. Pada perancangan sistem ini menggunakan mikroprosesor S3C2440 dari samsung. Mikroprosesor ini didesain untuk menghasilkan peralatan yang mudah digenggam dan memiliki solusi mikrokontroler dengan performansi yang tinggi. S3C2440A dikembangkan dengan ARM920T yang mengadopsi arsitektur bus baru yaitu Advanced Micro controller Bus Architecture (AMBA). ARM920T menmplementasikan MMU, AMBA BUS, arsitektur cache harvard dengan memisahkan instruksi 16KB dan cache data 16KB, tiap panjang 8 baris kata. Keunggulannya berdaya rendah, sederhana, elegan. Board chip mikroprosesor ini dapat dilihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 5. Samsung Chip Board S3C24403. Sensor HamaHingga saat ini untuk sensor khusus hama tersendiri belum ada namun ada beberapa cara yang dapat digunakan yaitu dengan menggunakan bantuan sensor kamera dan sensor pergerakan (passive infrared sensor). Cara Kerja :Sensor kamera di letakkan disudut-sudut yang telah ditentukan pada perancangan kemudian digabungkan dengan sensor pergerakan yang menggunakan passive infrared sensor akan mendeteksi pergerakan hewan-hewan pengganggu tanaman kentang. Sebelum tanaman kentang sudah di rusak oleh hewan tersebut, pemilik perkebunan sudah mengetahui daerah mana yang rawan pencurian oleh hewan penggangu. Bentuk sensor PIR dan kamera seperti terlihat di bawah ini :

a.b.

Gambar 6. a. Sensor Passive Infra Red b. Sensor kamera4. Sensor WetMerupakan modul sensor untuk dipasang di wilayah perkebunan yang merupakan gabungan dari beberapa alat yaitu sensor konten air dan alat pengkur dan pencatat data.

Cara Kerja :Mengontrol kebutuhan pengairan dengan sensor kelembapan tanah yang akurat dan dapat diandalkan. Sensor dan sistem tersebut dirancang untuk terintegrasi dengan mudah dengan pengontrol berdasarkan waktu yang sudah ada dan menghemat air dengan mencegah irigasi yang tidak perlu saat tanah atau substrat sudah lembap. Modul sensor ini berisi beberapa sensor dan alat ukur seperti di bawah ini :Tabel 4. Gabungan sensor konten air pada modul sensor wet

Tabel 5. Gabungan alat pencatat dan pengukur data

Gambar 7. Gabungan sensor dan pencatat data pada kontrol irigasiBerikut adalah gambar diagram blok sensor node :

Modul PemrosesProcessorMemoryLogicModul Sensor.Kelembapan, Temperatur, dan Gas.Modul Konversi A/D.Modul Power SupplyModul Wireless Communication

SoftwareArsitektur software dari sensor node dibagi menjadi 2 layer, yaitu :1. Layer kernel sistem Operasi2. Layer API

Kernel juga menyediakan driver node level rendah dari semua perangkat hardware. Layer API menyediakan modul akuisisi sensor dan modul komunikasi RF. Sistem Operasi TinyOS berperan sebagai platform software pada node. Sistem TinyOS, library, dan aplikasi ditulis dengan nesC (seperti bahasa pemrograman C) untuk keterbatasan memory yang dimiliki oleh sensor network.Bahasa pemrograman necC mendukung kinerja TinyOS seperti struktur mekanisme, penamaan, dan keterhubungan antar komponen software. Modul tugas berfungsi untuk mengontrol keseluruhan aliran informasi, terutama bertanggung jawab dalam inisialisasi wireless sensor dan pemeliharaan status operasi. Modul manajemen power akan mengatur penggunaan komsumsi power yang digunakan oleh processor, RF transceiver, sensor dan bagian lainnya. Manajemen energi akan mengatur penggunaan energi secara maksimal dengan power yang rendah.

Berikut flowchart desain software :

YNYInitialize Network constructionMonitoring stateJoining Application?Data acquired?Send data to control centerAccept new node

Diawali dengan inisialisasi CC2430, membuka sensor power dan inisialisasi tumpukan protokol, lalu mulai mengirimkan sinyal untuk penambahan network, menunggu hingga ada jawaban dari koordinasi network dan memberikan alamat network. Jika penambahan network baru berhasil, maka sink node akan terhubung ke komputer dengan serial port. Hasilnya adalah alamat fisik, ID network, dan sink node salam status monitoring. Jika sebuah sensor node mencoba bergabung dalam network, maka sink node akan menentukan nomor jaringan. Jika kumpulan data node mengirimkan data, maka akan dilihat berasal dari mana data tersebut dan mengirimkan pesan ke pusat kontrol.

Berikut gambar dari flowchart software sink node :

Initialize Send Joining ApplicationApprovalNReady stateAcquiring orderData AcquisitionReduce powerYYN

Sistem Informasinya, mungkin ada masukan

Alat dan Bahan1. Sensor kelembapan HSM-20G2. Sensor suhu/temperatur HSM-20G3. Sensor gas CO2 MQ-1354. Sensor Hama (gabungan sensor kamera dan PIR)5. Sensor Hujan (modul sensor wet)6. Sink node S3C24407. Modem CDMA8. Processor CC-2430

Hasil yang diharapkanTeknologi elektronik dan teknologi informasi diharapkan dapat secara efektif dalam mengatur tempat penyimpanan buah, dengan memaparkan skema baru dalam aktifitas monitoring lingkungan berbasis WSN. Beberapa keuntungan yang dapat diperoleh dari sistem monitoring tersebut, diantaranya :1. Tingkat kesehatan pohon dan buah dapat selalu dimonitor dari jauh2. Pemberian pupuk dan obat yang sesuai kebutuhan 3. Buah dapat selalu dimonitor terhadap serangan hama yang ada4. Data didapat secara otomatis, sehingga manajemen penyimpanan buah menjadi sangat efisien.5. Data dapat disimpan.6. Fungsi komunikasi sistem mampu mengontrol tempat penyimpanan dari jarak jauh. 7. Sistem menjadi lebih praktis dan menjanjikan.

Referensi :[1]Gao Junxiang and Xu Jingtao, Fruit Cold Storage Environment Monitoring System Based on Wireless Sensor Network, Procedia Eng., vol. 15, pp. 3466 3470, 2011.[2]Bambang Dwi Argo, Anang Lastriyanto, and Nuraini Puji Astuti, Monitoring System of Oxygen and Carbondioxide in Controlled Atmosphere Storage System, J. Teknol. Pertan., vol. 9, no. 3, pp. 150156, Desember 2008.[3] http://www.seeedstudio.com/depot/datasheet/HSM-20G.pdf[4] http://www.alldatasheet.com/view.jsp?Searchword=4160[5] http://www.rockbox.org/wiki/pub/Main/DataSheets/um_s3c2440a_rev10.pdf[6] http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2430.pdf

[7] http://www.delta-t.co.uk/downloadsMCL/indonesian-soil.pdf