Pengenalan Wireless Sensor Network (WSN)

Setiyo Budi (126060300111042), SKI-2, Universitas Brawijaya, Tugas Transducer, Dosen : Dr. Didik R.S

Abstract—Seringkali kegiatan mengumpulkan informasi dari alam yang dilakukan oleh sensor harus peroleh dari sejumlah titik secara bersama – sama. Dalam kejadian semacam inilah sensor dirangkai dalam satu jaringan yang bekerja bersama sama yang kemudian disebut dengan Sensor Network. Media nirkabel sering digunakan untuk mengirimkan data yang diperoleh sensor ke gateway sensor / data logger sehingga jaringan ini disebut Wireless Sensor Network (WSN). Wireless Sensor Network melakukan pemantauan dan pengendalian lingkungan fisik pada suatu lokasi dengan akurasi yang lebih baik. WSN memiliki aplikasi dalam berbagai bidang seperti pemantauan lingkungan, tujuan militer dan pengumpulan informasi penginderaan di lokasi sulit dijangkau. Node sensor memiliki cadangan energi dan mampu mengatasi berbagai kendala komputasi karena relatif murah dan dapat ditempatkan secara tersebar. Sejumlah penelitian telah difokuskan pada bagaimana mengatasi kekurangan – kekurangan WSN antara rute yang lebih efisien, algoritma penempatan sensor dan desain sistem. Makalah ini menyajikan dasar-dasar jaringan sensor nirkabel (WSN), sehingga memberikan latar belakang yang diperlukan untuk memahami pengaturan, fungsi dan keterbatasan Wireless Sensor Network tersebut.

Index Terms— Wireless Sensor Network, pengaturan WSN, fungsi WSN.

I.     Pendahuluan

Wireless sensor network telah menjadi salah satu teknologi yang paling penting pada abad ke-21. Dengan semakin majunya teknologi dan menurunnya harga perangkat keras, Wireless Sensor Network akan menemukan bidang penggunaanyang baik dan menyebar pada bidang - bidang di mana jaringan model lama tidak memadai lagi. Konsep dasar yang diterapkan pada sejumlah besar jaringan dapat jelaskan melalui gagasan sederhana yaitu : kemampuan penginderaan (sensing) ditambah CPU (dengan daya sendiri) ditambah Radio Transmisi akan menjadi kerangka kerja yang kuat untuk diterapkan pada banyak aplikasi potensial.

Tujuan utama dari Wireless Sensor Network adalah untuk melakukan pengukuran yang berguna untuk jamngka waktu yang lama. Untuk dapat melakukan hal ini, penggunaan energi diminimalkan dengan cara mengurangi jumlah komunikasi antara node tanpa mengorbankan tujuan transmisi data Setiap node dirancang dalam sebuah jaringan yang saling berhubungan yang akan tumbuh pada menyebarkan-an dalam pikiran. Wireless Sensor Networkyang sangat dinamis dan rentan terhadap kegagalan jaringan, terutama menjadi-penyebab lingkungan fisik yang keras bahwa mereka dikerahkan di dan gangguan konektivitas.

Gambar 1 Ilustrasi Wireless Sensor Network

Untuk merancang Wireless Sensor Network sesuai dengan harapan maka arsitektur harus dikembangkan untuk memantau dan mengontrol komunikasi node dalam mengoptimalkan dan menjaga kinerja jaringan, memastikan bahwa jaringan beroperasi dengan baik dan mengontrol / instruksi satu set node tanpa campur tangan manusia. Dalam rangka mengembangkan arsitektur sistem dengan karakteristik di atas, kita fokus secara eksplisit pada fungsi dan peran dari WSN.  

II.     Pengertian WSN

Sensor adalah suatu  device yang berfungsi untuk mengkonversi besaran fisis ke besaran fisis lain seperti  listrik. Kumpulan dari beberapa wireless sensor jika masing-masing diletakkan secara spesial dan diatur konfigurasinya, dapat disebut dengan WSN (Wireless Sensor Network). 

WSN (Wireless sensor network) merupakan jaringan  wireless alat yang menggunakan  sensor untuk memonitor fisik atau kondisi lingkungan sekitar,seperti suhu, suara, getaran, gelombang elektromagnetik, tekanan, gerakan, dan lain-lain.

Perkembangan dari WSN sebenarnya sudah dimulai dari kebutuhan dalam bidang militer seperti pemantauan pada saat perang di medan perang. tapi sekarang WSN sudah digunakan dalam bidang industri dan penggunaan untuk kemudahan masyarakat sipil, melingkupi pengawasan dan pengontrolan proses dalam industri, mesin pengawasan kesehatan, pemantau kondisi lingkungan, aplikasi untuk kesehatan, otomatisasi pada rumah, dan pengaturan pada lalu lintas.

Dalam penambahan pada satu atau lebih suatu sensor,masing-masing node dalam WSN biasanya dilengkapi dengan  radio tranciever atau alat komunikasi wireless lainnya, mikro-kontroler kecil,dan sumber energi, biasanya baterai.

Untuk ukuran  node sensor pada WSN memiliki kisaran node  sensor yang bisa mencapai besar dari sebuah kotak sepatu hingga seukuran debu. Aplikasi dan penggunaan dari WSN ada banyak dan bervariasi, tapi umumnya adalah untuk

monitoring, tracking dan controlling. aplikasi spesifik dari WSN misalnya adalah pengontrolan reaktor nuklir, pendeteksi api, dan monitoring lalu lintas.

Kemampuan sensor pada WSN secara luas membuat penggunaan WSN untuk melakukan monitoring banyak digunakan. WSN dapat digunakan dengan sensor sederhana yang memonitoring suatu fenomena sedangkan untuk yang komplek maka setiap WSN akan mempunya lebih dari satu sensor sehingga WSN ini akan dapat melakukan banyak monitoring suatu fenomena. Jika WSN ini dihubungkan ke gateway yang dapat mengakses internet maka WSN ini dapat diakses dan berkolaborasi dengan sistem lain seperti yang terlihat pada gambar 2.

Gambar 2. Ilustrasi scenario penggunaan WSN

III.     Penerapan WSN

Beberapa penerapan WSN adalah sebagai berikut :

Monitoring Area

Monitoring area merupakan penerapan yang paling umum dari WSN. Pada monitoring area, WSN ditempatkan pada suatu daerah dimana terdapat fenomena yang akan dimonitor. Militer menggunakan ini untuk mendeteksi adanya serangan atau penyusup, sedangkan penggunaan sipil misalnya untuk memagari pipa – pipa gas atau oil.

Monitoring keadaan lingkungan / alam

Terminologi Enviromantal Sensor Network telah meningkatkan jangkauan penggunaan WSN pada bidang sain penetilian terhadap bumi / alam. Hal – hal yang dapat dilakukan misalnya penginderaan aktivitas gunung berapi, laut, sungai es / gletser, hutan dan sebagainya.

Contoh pengguaan WSN pada pemantauan aktivitas gunung berapi ditunjukkan pada gambar 3. Disitu terlihat beberapa node sensor ditempatkan pada titik – titik pemantauan. Kemudian node – node tersebut dihubungkan dengan konsentrator atau gateway untuk dapat dilakukan pemrosesan lanjut.

Gambar 3 Contoh penerapan WSN pada pemantauan gunung berapi

Agriculture/ Peratanian

Penggunaan WSN pada bidang pertanian merupakan bidang yang sedang mengalami peningkatan. Dengan menggunakan jaringan tanpa kabel maka petani terbantu ketika harus melakukan perawatan dan perbaikan kabel pada bidang yang sulit dijangkau.

Penerapan WSN pada bidang pertanian ditunjukkan gambar 4. Disini terlibat bahwa lingkungan pertanian dilakukan monitoring melalui WSN dan dapat diakses melalui internet baik browser maupun mobile device.

Gambar 4 Contoh pemanfaatan Wireless Sensor Network sebagai monitoring keadaan lingkungan dibidang pertanian.

IV.     Sistem Manajemen Jaringan

 Sekitar tahun 1980-an jaringan komputer mulai tumbuh dan saling berhubungan dalam skala besar. Pertumbuhan ini menghasilkan masalah dalam pemeliharaan dan pengelolaan  jaringan-jaringan, sehingga kebutuhan manajemen jaringan yang khusus. Keadaan hari ini, jaringan jauh lebih dinamis dan lebih komplek dari sebelumnya, khususnya di bidang jaringan sensor nirkabel, sehingga infrastruktur pengelolaannya adalah salah satu kebutuhan yang paling mendasar untuk memantau dan mengendalikan jaringan tersebut.

Sebuah sistem manajemen jaringan dapat didefinisikan sebagai suatu sistem dengan kemampuan untuk memantau dan mengontrol jaringan dari lokasi pusat. Idealnya ada empat kunci fungsional daerah bahwa sistem ini harus mendukung:

1)     Manajemen Fault:

Bidang ini menyediakan fasilitas yang memungkinkan pencarian bentuk – bentuk kesalahan pada sistem dan akan menghasilkan serta memperkirakan   kemungkinan penyebab kesalahan tersebut. Dengan demikian, fungsi manajemen kesalahan harus menyediakan mekanisme-mekanisme untuk mendeteksi kesalahan, koreksi, laporan log dan diagnostik yang sebaiknya dilakukan tanpa campur tangan pengguna.

2)     Konfigurasi Manajemen:

Bertanggung jawab untuk pemantauan informasi konfigurasi jaringan secara keseluruhan dan juga memiliki akses ke semua perangkat yang dikelola dalam hal pengkonfigurasian ulang, mengoperasikan dan mematikan sistem jika diperlukan.

3)     Manajemen Kinerja:

Bertanggung jawab untuk mengukur kinerja jaringan melalui analisis statistik terhadap data – data sistem sehingga mungkin dapat dilakukan perawatan pada tingkat yang masih dapat diterima / toleransi.

4)     Manajemen Keamanan:

Daerah ini menyediakan semua fasilitas yang akan memastikan bahwa akses ke sumber daya jaringan tidak dapat diperoleh tanpa otorisasi yang tepat. Untuk melakukan hal tersebut, manajemen menyediakan mekanisme untuk membatasi akses ke sumber daya jaringan dan menyediakan end-user dengan kekuasaan penuh dan percobaan.

Keempat bidang fungsional manajemen jaringan jauh lebih menantang dan penting untuk jaringan yang akan terdiri dari sensor kecil yang dapat diberikan kepada lingkungan spesifik dan menjalankan aplikasi seperti pemantauan habitat, penelitian iklim mikro, perawatan medis dan pemantauan struktural. Untuk setiap aplikasi jaringan sensor, jaringan disajikan sebagai sistem terdistribusi yang terdiri dari sejumlah node otonom yang bekerja sama dan mengkoordinasikan tindakan mereka didasarkan pada arsitektur yang sudah dibuat sebelumnya. Setiap simpul / node diberikan peran spesifik dalam jaringan seperti akuisisi dan pengolahan data. Node dapat digunakan sebagai data agregasi dan titik pemyimpanan sementara (caching) untuk mengurangi kelebihan beban komunikasi.

V.     Komponen – komponen WSN

A.     Spesifikasi dan standar

Dalam Pengoperasiannya pada Layer 2 OSI  Layer,  Wireless Sensor menggunakan standar komunkasi wireless yaitu IEEE 802.15.4

Protokol IEEE 802.15.4 ini merupakan salah satu macam dari protokol-protokol pada WPAN (Wireless Personal Area Networks), salah satu contoh dari WPAN yang lainnya adalah  bluetooth. Protokol IEEE 802.15.4 ini merupakan standar untuk gelombang  radio (RF). Protokol ini bekerja pada  data rate yang rendah agar baterai bisa tahan lama, dan sederhana. Suatu  device  yang menggunakan protokol ini, dapat terkoneksi dengan baik pada radius maksimal 10 m dan dengan data rate maksimal 250 Kbit/s dengan alat lainnya. 

Protokol ini menggunakan 3 pita frekuensi untuk keperluan operasionalnya, seperti :

1. 868-868.8 MHz untuk daerah Eropa.
2. 902-928 MHz untuk daerah Amerika Utara.
3. 2400-2483.5 MHz untuk daerah lainnya diseluruh dunia.

ZigBee merupakan salah satu vendor yang mengembangkan layer-layer diatas layer untuk IEEE 802.15.4 ini. Pada perkembangannya saat ini, protokol ini sudah mendukung penggunaan Ipv6 (Internet Protocol version 6), dengan ditandai lahirnya RFC 4919 dan RFC 4944.

Konfigurasi Wireless Sensor Network yang memanfaatkan protokol IEEE 802.15.4, dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar 5 Konfigurasi WSN yang memanfaatkan Protokol IEEE 802.15.4

B.     Hardware

Salah satu tantangan dalam bidang WSN adalah pembiatan sensor node yang hemat energi dan sekecil mungkin. Sensor node diibaratkan seperti komputer kecil, dengan kemampuan dasar seperti  bagian tampilan dan komponen-komponen lain yang ada di dalamnya.

Komponen-komponen tersebut biasanya terdiri dari satu unit pemroses dengan kemampuan komputasi dan memori yang terbatas,  sensor (yaitu sensor dengan kondisi yang khusus sesuai dengan penomena yang diindera), alat komunikasi (biasanya radio tranciever), sumber tenaga yang kecil, biasanya berbentuk  baterai. Kemungkinan yang lain adalah sebuah modul pengolahan energi, dan alat komunikasi cadangan/kedua.

Gambar 6 Contoh Hardware WSN Node

Sebuah WSN umumnya terdiri atas bagian-bagian berikut :

1. Transceiver, Berfungsi untuk menerima / mengirim data dengan menggunakan protokol IEEE 802.15.4 kepada  device lain seperti concentrator, modem Wifi, dan modem RF.
2. Mikrokontroler, Berfungsi untuk melakukan fungsi perhitungan, mengontrol dan memproses device-device yang terhubung dengan mikrokontroler.
3. Power Source, Berfungsi sebagai sumber energi bagi sistem WSN secara keseluruhan.
4. External Memory,  Berfungsi sebagai tambahan memory bagi sistem WSN, pada dasarnya sebuah unit mikrokontroler memiliki unit memory sendiri.
5. Sensor, Berfungsi untuk men-sensing besaran-besaran fisis yang hendak diukur. Sensor adalah suatu alat yang mampu untuk mengubah suatu bentuk energi ke bentuk energi lain, dalam hal ini adalah mengubah dari energi besaran yang diukur menjadi energi listrik yang kemudian diubah oleh ADC menjadi deretan pulsa terkuantisasi  yang kemudian bisa dibaca oleh mikrokontroler.

C.     Software

Energi merupakan isu utama pada aplikasi WSN karena menentukan berapa lama sistem tersebut dapat bekerja. WSN sangat mungkin diterapkan pada lingkungan yang luas, kadang berjarak jauh dan sulit dijangkau,  yang mana komunikasi mode ad-hoc merupakan komponen kunci. Karena alasan ini, protokol dan algoritma perlu dibuat dengan memperhatikan hal – hal berikut :

1.       Maksimalisasi Lifetime

2.       Ketahanan dan fault tolerance

3.       Self-configuration

Untuk melakukan maksimalisasi lifetime berarti konsumsi energi dari sensing device harus diminimalkan dan node sensor harus menggunakan energi secara efisien. Pembatasan penggunaan daya akan memperpanjang umur operasi suatu node. Untuk melakukan penghematan energi, misalnya dengan cara memutuskan daya pada pemancar radio pada saat tidak diperlukan.

Selain hal tersebut diatas, topik – topik penting dalam pengembangan sofware WSN adalah :

1.       Operating sistem

2.       Security

3.       Mobility

D.     Operating Sistem

Operating sistem yang digunakan pada node sensor network tidak terlalu komplek jika dibandingkan dengan Operating sistem pada umumnya. OS ini lebih mirip dengan embeded sistem karena dua alasan. Pertama, WSN diterapkan dengan fungsi – fungsi yang khusus dari pada umum. Kedua, WSN memerlukan desain yang murah dan menggunakan energi kecil, sehingga hal ini mendorong node – node tersebut harus menggunakan mikrokontroler daya rendah. Mikrokontroler tidak akan menjalankan mekanisme – mekanisme yang tidak terlalu penting, misalnya virtual memory, karena hal itu terlalu sulit dijalankan.

Operating sistem yang mungkin digunakan antara lain eCos atau uC/OS. Akan tetapi operating tersebut didesain untuk keperluan yang bersifat realtime. TinyOS dapat dikatakan operating sistem yang secara khusus didesain untuk sistem WSN. TinyOS berbasiskan event-driven programming model yang mengantikan model multithreading.

VI.     Karakteristik

Beberapa karakteristik yang unik dari wireless sensor network antara lain :

1. Daya / Power yang terbatas yang dapat disimpan atau diolah.
2. Kemampuan untuk bertahan pada lingkungan yang tidak mudah untuk dijangkau dan di kontrol secara terus menerus.
3. Kemampuan untuk mengatasi kesalahan node.
4. Mobilitas dari node.
5. Topologi jaringan yang dinamis.
6. Penyebaran dengan skala besar.

VII.     Rangkuman

Tulisan menyajikan dan menunjukkan jaringan sensor nirkabel sebagai salah satu teknologi utama untuk abad ke-21. Konsep dasar di balik teknologi ini dijelaskan bersama-sama dengan keterbatasan dan hambatan yang terjadi dan perlu ditangani dalam proses pembuatan jaringan sensor nirkabel yang berlaku untuk sejumlah aplikasi yang berguna bagi masyarakat modern. Survei masih terbuka dengan menghadirkan fungsi dasar dari sistem manajemen jaringan. Fungsi yang didasarkan pada dua atribut utama yang monitor dan kontrol dan sangat penting untuk setiap sistem sensor nirkabel. Sejumlah sistem jaringan sensor nirkabel yang kritis perlu ditinjau dan memberikan penjelasan analitis tentang arsitekturnya dan mengidentifikasi pro dan kontra sehingga membantu kita memperoleh beberapa pelajaran penting untuk sistem yang diusulkan. Survei berlanjut dengan menghadirkan solusi middleware sebagai sistem kunci dalam mengatasi keterbatasan jaringan sensor nirkabel dan sebagai metodologi utama dibalik pendekatan yang diusulkan.   

References

[1]     Georgoulas, Wireless Sensor Network Management and Functionality: An Overview Dimitrios; Blow, Keith. Wireless Sensor Network1. 4 (Nov 2009): 257-267.

[2]     Harka Putra Tama, PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI  WIRELESS SENSOR NETWORK (WSN)  BERBASIS IEEE 802.15.4 / ZIGBEE, thesis, Universitas Komputer Indonesia, Bandung, 2010