AKUISISI DATA IRIGASI MENGGUNAKAN MULTIPLE SENSOR BERBASIS WIRELESS SENSOR NETWORK

Chaerur Rozikin, S.komG651120501

SEKOLAH PASCASARJANAINSTITUT PERTANIAN BOGORBOGOR2013

BAB IPENDAHULUAN

Latar BelakangAir merupakan kebutuhan sangat penting dalam bidang pertanian.[KBBI, 2012] Pengaturan pembagian atau pengaliran air menurut sistem tertentu di sawah/lahan pertanian disebut irigasi. pada umumnya petani belum memanfaatkan irigasi secara efesiein dan efektif. [atta et al 2011] kebutuhan air di masing-masing lahan pertanian berbeda-beda tergantung kondisi lahan pertanian yaitu kering, semi kering, dan lembab atau basah kondisi ini mempengaruhi air yang dibutuhkan untuk pengairan lahan pertanian tersebut, oleh karen itu mengalirkan air sesuai dengan kebutuhan dan kondisi lahan pertanian merupakan pemanfaatan air irigasi secara efesien dan efektif. Untuk mengetahui kondisi tanah dilahan pertanian digunakan sensor, sensor disebar ke berbagai titik/node di lahan pertanian untuk mengambil data dari kejadian fisik kemduian diterjemahkan menjadi signal elektronik [wilson. 2012]. Data dari sensor dikumpulkan dan kemudian dikirimkan melalui xbee ke server. [Vellidis. 2008] telah melakukan research dengan menggunakan sensor soil, sensor thermocouples, circuit board sensor, Radio Frekuensi Identifier (RFID) dan laptop sebagai server. Sensor yang sudah terhubung dengan circuit board yang dilengkapi dengan RFID disebar ke beberapa titik/node untuk membaca kondisi lahan pertanian dan data hasil bacaan diolah oleh circuit board kemudian dikirimkan ke sever dalam hal ini laptop melalui komunikasi RFID.[Kim dan Evans. 2009] melakukan studi untuk merancang sebuah sistem software yang user friendly yang berfungsi mengatur penggunaan air untuk menyiram tanaman. Dalam sistem ini memuat mesin konversi, lokalisasi (localization), dan mission planning. Cara kerja sistem ini yaitu pertama mengkonversi data dari mesin konvensional dan sistem hidraulic ke sism kontroler elektronik. Kontroler elektronik berfungsi sebagai kontrol utama alat penyiram tanaman. Kemudian kontroler elektronik membutuhkan kemampuan secara berkelanjutan untuk monitoring sistem irigasi dilokasi yang berbeda. Di subsistem lain berfungsi sebagai mesin kontrol dan akses ke navigasi. Kemudian sistem mission planning dapat memutuskan berapa banyak air yang dibutuhkan untuk menyiram tanaman sesua dengan data yang diterima dari mesin kontroler utama. Peralatan yang digunakan dalam studi ini yaitu soil water reflectometers, soil temperature sensor, Bluetooth radio transmitter, 12-V battery, solar panel dan komputer.[atta et al. 2011] melakukan research untuk mengatur produktifitas air agar lebih efesien dan efektif.. efesien dalam hal penggunaan air dan efektif dalam hal pengiriman air. Dalam pengaturan air di lahan gandum menggunakan tiga sensor yaitu sensor moisture soil (tanah), temperature (suhu), dan humdity (kelembaban). Sensor ini akan terhubung dengan sensor node circuit board yang berfungsi menerima data dari sensor kemudian dikirimkan melalui RFIID ke field station yang berfungsi sebagai penerima, memproses dan menyimpan data secara berkala. Field station dilengkapi dengan RFID untuk menerima data dari node circuit board. Dengan sistem ini air dapat digunakan sesuai dengan kebutuhan kondisi tanah di lahan gandum.[Bisyri. 2012] melakukan penelitian akuisisi data menggunakan sensor soil untuk membaca kondisi lahan berupa data analog kemudian diolah dengan menggunakan Micro Controler Unit (MCU) Arduino Uno menjadi data digital. Data dari MCU arduino uno akan dikirimkan ke server dalam hal ini Personal Computer (PC) melalui wireless dengan menggunakan modul Xbee versi 1. Sensor yang digunakan hanya satu sensor sehingga kurang mewakili kondisi tanah di lahan pertanian tersebut.[Saptomo dan Setiawan. 2010] ada dua teknologi komunikasi wireless yang digunakan dalam sistem irigasi otomatis yaitu pertama sistem komunikasi berbasiskan seluler (GSM) yang menyediakan jangkauan area komunikasi wireless secara luas untuk sistem konrol irigasi. kedua sistem wireless sensor network dengan jangkaun komunikasi antara end device dan koordinator sampai 500 m.

Dari beberapa penelitian diatas ada beberapa bagian yang perlu dikembangkan yaitu mengumpulkan data kondisi lahan pertanian dengan beberapa sensor seperti sensor soil moisture, sensor temperatur dan sensor humdity. Dari segi perlatan bisa menggunakan Arduino Leonardo sebagai penerima data yang didapat dari beberapa sensor dan kemudian dikirimkan melalui xbee versi 2 ke raspberry pi. Raspberry pi bisa disebut sabgai koordinator berfungsi sebagai penerima data, pemroses data, dan menyipan data secara temporer. Data yang sudah diolah oleh raspberry pi dapat digunakan untuk mengawasi (monitoring) situasi dan kondisi lahan pertanian dan kemudian petani dapat melakukan tindakan sesuai dengan status monitoring. Dari latarbelakang ini penulis tertarik untuk meniliti dengan judul AKUISISI DATA IRIGASI DENGAN MENGGUNAKAN MUTLITIPLE SENSOR BERBASIS WIRELESS SENSOR NETWORK. Penelitian dilakukan dalam rangka penulisan tesis.

Perumusan MasalahDari latarbelakang tersebut diatas masalah yang dapat dirumuskan yaitu :1. Merancang sebuah infrastuktur sistem akusisi data kondisi tanah dengan biaya terjangkau dan praktis dalam penggunaannya. 2. Management akuisisi data dari sensor ke arduino kemudian di teruskan ke raspberry pii sehingga tidak terjadi crash ketika data dari sensor dikirim secara bersamaan. 3. Data yang dikirimkan dari sensor berupa analog dikirimkan melalui media wireless ke raspberry pii menjadi data digital. 4. Management smart irigasi dikontrol dengan menggunakan software.5. Management irigasi dapat digunakan untuk mengairi tumbuhan dan tanah yang sesuai dengan kondisi tanah diarea tertentu.

Tujuan PenelitianTujuan dari penelitian adalah mengembangkan akusisi data dengan multipleple sensor berbasis wireless sensor network (WSN) adalah sebagai berikut :1. Membantu petani dalam mengatur dan mengawasi lahan pertanian untuk menjaga agar kondisi tanah cukup kebutuhan airnya.2. Memaksimalkan penggunaa air untuk kebutuhan lahan pertanian 3. Mengatur distibusi air sesuai dengan kebutuhan dan kondisi tanah di lahan pertanian.4. Merancang dan membuat prototipe akusisi data berbasis wireless sensor network5. Merancang software yang berfungsi untuk mengawasi kondisi lahan pertanian.

Manfaat PenelitianManfaat dari penelitian ini yaitu :1. Membantu petani dalam melakukan pengawasan teradap kondisi tanah dan tanaman yang kekurangan air atau kelebihan air.2. Membantu petani untuk mendistribusikan air sesuai dengan kebutuhan dan kondisi tanah di lahan pertanian. 3. Membantu pertani dalam melakukan management irigasi secara otomatis sehingga air yang digunakan lebih efektif dan efesien.

Ruang Lingkup PenelitianPenelitian ini akan membahas mengenai :1. Sensor yang berfungsi sebaga alat untuk akusisi data. Dari data berupa kejadian fisik kemudian dibaca menjadi data signal elekronik.2. Merancang topologi wireless sensor network untuk kebutuhan akusisi data.3. Sensor dalam mengumpulkan data dibantu dengan arduino yang berfungsi membaca data analog ke data digital.4. Arduino akan mengirimkan data digital ke server dalam hal ini raspberry pi dengan media komunikasi xbee versi 2.5. Xbee yang digunakan versi 2 yang berfungsi sebagai media transmisi data secara wireless.6. Raspberry pi sebagai server akan menerima dan mengolah data dari arduino.

BAB IITINJAUAN PUSTAKA

Xbee RadioXbee merupaka nama merk dagang dari digi international manufactures. Xbee Radio terdiri dari komponen hardware, firmware protocol, transmission power, dan antena. Dibawah ini dijelaskan lebih lanjut mengenai komponen-komponen dari Xbee Radi tersebut.1. Xbee Radio Physical HardwareHardware pisik dari Xbee Radio terdiri dari dua jneis variasi dasar yaitu hardware Xbee Radio series I dan hardware Xbee Radio series II.a. hardware Xbee Radio series I radio ini menggunakan microchip yang dibuat oleh Freescale menyediakan kesederhanaan, standard dasar komunikasi point to point, yang telah diterapkan dengan baik pada topologi jaringan mesh.b. hardware Xbee Radio series II menggunakan microchip dari Ember Networks yang membolehkan beberapa perbedaan terhadap standard dasar Zigbee jaringan mesh. Jaringan mesh merupakan inti dasar dari pembuatan jaringan sensor yang kuat, sistem yang bisa menghasilkan data set yang sangat besar atau mendukung skala interaksi dengan user.

Gambar 2.1 Xbee RadioAda beberapa perbedaan yang mendasar dari Series I dan Series II yaitu Series I sangat baik digunakan untuk mengganti penempatan kabel dan dengan sistem yang lebih kecil sedangkan Series II dirancang untuk jaringan sensor yang sangat besar. Berikut ini merupakan tabel dari perbedaan Series I dan Series II.NoDalam HalSeries ISeries II

1Typical (indoor/urban) range30 meters40 meters

2Best (line of sight) range100 meters120 meters

3Transmit/Receive current45/50 mA40/40 mA

4Firmware (typical)802.15.4 point-to-pointZB ZigBee mesh

5Digital input/output pins 8 (plus 1 input-only)11

6Analog input pins74

7Analog (PWM) output pins2None

8Low power, low bandwidth, low cost, addressable, standardized, small, popularYesYes

9Interoperable mesh routing, ad hoc network creation, selfhealing networksNoYes

10Point-to-point, star topologiesYesYes

11Mesh, cluster tree topologiesNoYes

12Single firmware for all modesYesNo

13Requires coordinator nodeNoYes

14Point-to-point configurationSimpleMore involved

15Standards-based networkingYesYes

16Standards-based applicationsNoYes

17Underlying chipsetFreescaleEmber

18Firmware available802.15.4 (IEEE standard), DigiMesh (proprietary)ZB (ZigBee 2007), ZNet2.5 (obsolete)

19Up-to-date and actively supportedYesYes

Tabel diatas merupakan perbedaan antara Xbee Radio Series I dan Xbee Radio Series II. Dengan teori ini, penlitian pada tesis ini Xbee yang digunakan dengan model Xbee Series II hal ini cocok karena lahan pertanian yang sangat luas sehingga membutuhkan beberapa sensor sebagai node dan data dikirim melalu Xbee Series II.

ZegBeeZegBee tidak sama dengan Xbee, ZegBee merupakan standard protokol komunikasi untuk pemakaian energi listrik yang sedikit, jaringan mesh tanpa kabel. Sedangkan Xbee merupakan suatu merk dagang dari radio yang mendukung beberapa protokol komunikasi diantaranya Zegbee 802.15.4 dan Wifi. ZegBee mendukunh feature advance yang terdapat pada IEEE 802.15.4. IEEE 802.15.4 merupakan satu set standard yang mencakup management power, addressing, error correction, message formats dan lainnya seperti kebutuhan khusus komunikasi point to point untuk tujuan komunikasi antara satu radio ke radio yang lainnya. ZegBee terdiri dari beberapa layaer 801.15.4 yaitu :1. RoutingRouting table menjelaskan bagaimana satu radio melewatkan pesan melalui beberapa jenis radio selama perjalanan sampai dengan tujuan dari pesan tersebut.2. Ad-hoc Network CreationMerupakan proses otomatis yang menciptakan seluruh jaringan radio di udara tanpa campur tangan manusia.3. Self Healing MeshMerupkakan hubungan terkait secara otomatis jika satu atau lebih radio terputus (missing) dari jaringan dan kemudian mengkonfigurasi ulang untuk memperbaiki router yang rusak.Ada beberapa komponen yang terkait dalam komunikasi ZegBee untuk melewatkan satu pesan ke suatu tujuan akhir tertentu. Komponen-komponent tersebut coordinator, router, dan end device adapun fungsi dari masing-masing komponen tersebut adalah sebagai berikut.1. Koordinator (Coordinator)Jaringan ZegeBee hanya memiliki satu perangkat koordinator (device coordinator). Radio ini bertanggung jawab untuk pembentukan jaringan dan menangani pengalamatan (addressing) dan mengatur fungsi lain yang di tentukan oleh jaringan, keamanan jaringan, dan ke stabilan jaringan. Perlu diingat bahwa masing-masing jaringan harus dibentuk oleh koordinator.2. Router (Roter)Router merupakan featur terlengkap dari node ZegBee. Router dapat bergabung pada jaringan yang sudah ada yang berfungsi untuk menerima informasi, mengirim informasi, dan route information. Routing diartikan sebagai pembawa pesan untuk momunikasi antara device bagian-bagiannya saling berjauhan menyampaikan informasi pada diterimanya. Satu jaringan bisa memiliki beberapa router radio.3. Perangkat akhir (End Device)Perangkat akhir dapat mengirim dan menerima informasi akan tetapi perangkat ini beraksi tidak sebagai penghantar (messenger) pesan antara satu perangkat ke perangkat lainnya. Sehingga bisa menggunakan hardware yang murah

ArduinoArduino merupakan sistem mikrotontroler yang berbasis open source. Mikrontroler adalah komputer kecil yang bisa melakukan pekerjaan tertentu secara khusus seperti mengambil input dari switch dan sensordan kemudian memuutuskan pekerjaan selanjutnya yang haru dilakukan oleh arduino.

Gambar 2.2 Arduino Dasar dari terciptanya arduino adalah uno. Arduino mendukung panjang 13 digit input dan output dan mendukung 6 digit input analog. Arduino bisa dijalankan dengan menggunakan power dari usb atau power supply. Mikrokontroler pada board mendukung 32 K kode program dengan memori atau RAM 2 K

Sensor Temperature Sensor merupakan perangkat yang bisa menkonversi kejadian nyata kedalam sinyal elekronik. Sensor merupakan bagian yang mewakili antarmuka (interface) antara dunia nyata dan perangkat elektronik seperti komputer sedangkan dibagian lain interface ini diwakili aktuator yaitu dimana bisa mengkonversi signal elektronik ke dalam fenomena secara fisik [Kenny, 2013].Suhu adalah merupakan menetukan derajat dari panas atau dingin. Suhu bisa juga ditentukan sebagai jumlah dari energi panas pada sebuah objek atau sistem. Sensor suhu mendeteksi perubahan parameter pisik seperti tahanan atau output voltage yang berhubungan dengan perubahan suhu [John Fontes, 2013]. Ada dua tipe dasar dari merasakan suhu yaitu:1. Contact (bersentuhan) untuk merasakan suhu membutuhkan sensor untuk menjadi persentuhan langsung secara pisik dengan media atau objek yang akan di rasakan. Contact bisa digunakan untuk mengawasi suhu padat dan cair.2. Non-Contact menasirkan pengukuran radiasai energi dari sumber energi panas yang di pancarkan

Raspberry piiRaspberry pi memuat beberapa komponen yang penting yaitu prosesor, chip grafis, program memory (RAM), dan beberapa jenis interface dan konektor untuk perangkat eksternal. Cara mengoperasikan Raspberry pi hampir sama dengan personal computer (pc) yang membutuhkan keyboard untuk memasukan perintah, power supply, dan monitor. Raspberry pi juga membutuhkan memori untuk menyimpan data yang berbentuk SD flash card.

Topologi Wireless Sensor Network (WSN)Wirelss sensor network merupakan suatu jaringan sensor tanpa kabel, dalam penerapannya WSN di lapanganga terdapat beberapa topologi jaringan seperti pairs atau point to point, star, mesh, dan cluester tree.

Gambar 2.3 Jenis-jenis Topologi WSN

1. Pairs atau Point to Point (Sepasang)Pairs merupakan jaringan sederhana hanya memuat dua radion atau node. Salah satu node harus jadi koordinator sehingg bisa terbentuk jaringan. Node lain bisa dijadikan sebagai router atau end device (perangkat akhir)2. Star (Bintang)Penyusunan jaringan star sangat mudah yaitu satu radio sebagai koordinator yang ditempatkan pada posisi terpusat kemudian radio yang bertindak sebagai end device diletakan pada posisi mengelilingi koordinator radio. Setiap pesan dalam sistem dari end device harus melewati koordinator dimana akan membutuhkan router untuk menunjukan jalan kepada end device yang di tuju. Masing-masing end device tidak bisa berkomunikasi secara langsung dengan end device lain, komunikasinya harus melewati koordinator.3. Mesh (saling berhubungan)Konfigurasi jaringan dapat mempekerjakan node router dalam menambah radio koordinator. Radio ini bisa melewatkan pesan antar router dan end device. Router yang bertindak sebagai koordinator dapat mengatur jaringan, bisa mengatur pesan, dapat menghasilkan dan menerima informasi 4. Cluster Tree ((pengelompokan)Tata letak jaringan cluster tree dimana router membentuk sejenis backbone dengan end device berkumpul disekitas masing-masing router.

BAB IIIMETODE DAN BAHAN PENELITIAN

Tempat dan waktu penelitianPenelitian ini dilakukan di laboratorium Network Engineering (NE) Departemen Ilmu Komputer Institut Pertanian Bogor (IPB), Laboratorium Teknik Sipil Institu Pertanian Bogor (IPB) dan waktu penelitian bulan November 2013 sampai dengan bulan Februari 2014.

Peralatan PenelitianPerangkat Keras (Hardware)1. Sensor Kelembaban (Sensor Temperature)2. Arduino3. Raspberry pii4. Xbee5. Xbee Adapter6. ModemPerangkat Lunak (Software)Perangkat lunak yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari beberapa jenis diantaranya1. Dev C++ untuk interpreter bahasa pemrograman C++ version 22. Mikrotontroler

Bahan PenelitianBahan penelitian yang digunakan dalam penelitian ini adalah beberapa bidang tanah untuk lahan pertanian dengan karakteristik tanah kering, tanah semi kering, dan tanah basa/lembab hal ini dilakukan untuk ujicoba sensor dan alat yang telah dibuat.

Tahap Pelaksanaan PenelitianTahap penelitian ini terdiri dari beberapa tahapan dalam melakukan penelitian ini yaitu merancang topologi jaringan, membuat prototype sistem smart management irigasi, merancang software smart management irigasi dan melakukan ujicoba sistem.

Merancang Topologi JaringanTopologi jaringan merupakan rancangan tata letak dari jaringan sistem irigasi. Terdapat beberapa macam topologi jaringan wireless sensor network yaitu topologi pair, star, mesh dan cluster tree. Dalam melakukan penelitian ini penulis menggunakan topologi jaringan cluster tree berikut ini gambar topologi jaringan wireless sensor network.

Gambar 3.1 Topologi Jaringan Wireless Sensor Network

Penelitian ini menggunakan topologi cluster tree dimana beberapa sensor kelembaban bertindak sebagai end device dataloger yaitu sebagai pengambil data kelembaban di sekitarnya. Arduino sebagai router atau gateway antara sensor dengan raspberry pii yang berfungsi untuk menerima informasi dari sensor kemudian mengirimkan kembali ke raspberri pii dan sebaliknya informasi dari raspberry pii diterima arduino kemudian di sampaikan ke sensor. Raspberry pii bertindak sebagai koordinator dari masing-masing device yang berfungsi sebagai pengatur dan mengkontrol data dan informasi yang ditermanya kemudian diolah menjadi sebuah informasi dan informasi ini merupakan perintah untuk melakukan pengairan atau tidak.

Membuat Rancangan Prototype Sistem Smart Management IrigasiPembuatan rancangan prototipe dalam penelitian ini yaitu melakukan rancangan hardware yang dibutuhkan dalam penelitian ini, yaitu sensor, adruino dan raspberry pii. Pada pelaksanaan penelitian masing-masing device dilakukan pemrograman dulu dengan menggunakan bahasa pemrograman C++. Pemrograman dilakukan untuk agar masing-masing device bisa terhubung dan melakukan komunikasi pengiriman data dengan baik

Merancang Software Smart Management IrigasiPada tahap ini dilakukan pembuatan software yang bisa mengatur fungsi management irigasi dengan menggunakan peralatan hasil rancangan prototype. Software ini nantinya menyediakan beberapa fungsi untuk mendukung operasional irigasi. Sehingga sistem irigasi dapat terpantau secara berkala dengan menggunakan software ini.

Melakukan UjicobaUntuk memastikan alat berjalan sesuai dengan yang diinginkan penulis melakukan ujicoba alat dan software yang digunakan dengan cara menjalankan softawre yang dibuat kemudian sensor diletakan dilahan pertanian dengan beberapa kriteria kondisi tanah yaitu kering, semi kering dan basa.

DAFTAR PUSTAKA

Morari and Giardini, 2002. Irrigation Automation with Heteregenous vegetation: The Case of The Padova Botanical Garden. Dipartimento di Agronomia Ambientale, Padua, Italy.

Atta et al. 2011. Smart Irrigation System for Wheat in Saudi Arabia Using Wireless Sensors Network Technology. Departement of Elektical Engineering, Taibah University, Al Madinah Al Munawarah, Kingdom of Saudi Arabia.

Vellidis et al. 2008. A Real-Time Wireless Smart Sensor Array for Scheduling Irrigation. National Environmentally Sound Production Agriculture Laboratory (NESPAL), University of Georgia, Tifton, GA, USA.

Robert Faludi. 2011. Wireless Sensor Network. OReilly Media, Inc., 1005 Gravenstein Highway North, Sebastopol, CA 95472.

Arduino. Arduino. 2013. http://www.arduino.cc/ [10 November 2013].

Raspberry pi. 2013 http://www.raspberrypi.org/technical-help-and-resource-documents [19 Oktober 2013].