Implementasi Protokol Routing Directed Diffusion Pada Wireless Sensor Network Menggunakan Media Komunikasi RF
Vol. 3, No. 1, Januari 2019, hlm. 8390-8397 http://j-ptiik.ub.ac.id
Implementasi Protokol Routing Directed Diffusion Pada Wireless Sensor
Network Menggunakan Media Komunikasi RF
1 2 3 Elsandio B. P. Fathoni , Sabriansyah Rizqika Akbar , Mochammad Hannats Hanafi IchsanProgram Studi Teknik Informatika, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya 1 2 3 Email: bramudya.elsandio@gmail.com, sabrian@ub.ac.id, hannas.hanafi@ub.ac.id
Abstrak
Implementasi protokol routing pada wireless sensor network telah dilakukan khususnya pada arsitektur topologi jaringan flat. Dimana pada topologi jaringan flat terdapat beberapa protokol routing yang telah diimplementasikan salah satunya adalah protokol routing directed diffusion. Sayangnya, implementasi tersebut dilakukan menggunakan aplikasi simulasi jaringan. Oleh karena itu, pada penelitian ini penulis mengimplementasikan protokol routing directed diffusion pada wireless sensor network pada sebuah
real device yaitu menggunakan media komunikasi RF. Perangkat keras untuk membangun sebuah node
menggunakan mikrokontroler arduino nano 3.0 sebagai pemroses data sensor dan modul NRF24L01 sebagai media transmisi data. Pada implementasi directed diffusion, sink node mengirimkan interest atau permintaan data yang berisi koordinat pengirim, jenis data yang diminta dan koordinat node tujuan. Data yang digunakan ialah data suhu dan kelembaban tanah yang ditentukan secara acak karena node sensor tidak menggunakan modul sensor. Pengujian dilakukan dengan menguji status node dapat ditampilkan pada serial monitor, setiap node sensor dapat melakukan pemrosesan data sensor suhu dan kelembaban tanah, serta pengujian implementasi directed diffusion yang berupa pengujian fungsional. Hasil dari pengujian, setiap node berhasil menampilkan status node pada serial monitor, setiap node sensor dapat melakukan pemrosesan data suhu dan kelembaban tanah, serta sistem berhasil mengimplementasikan protokol routing directed diffusion.
Kata kunci: Directed Diffusion, Wireless Sensor Network, Arduino Nano, NRF24L01
Abstract
Implementation of wireless sensor network routing protocols has been carried out specifically on flat
topology architectures. Where in the flat topology there are several routing protocols that has been
implemented, one of which is directed diffusion routing protocol. Unfortunately, the implementation is
done using a network simulation application. Therefore, in this research, the authors implemented
routing protocols directed diffusion on a wireless sensor network on a real device that uses RF
communication media. Hardwares to build a node using arduino nano 3.0 microcontroller as sensor
data processor and NRF24L01 module as data transmission medium. At the time of application of
directed diffusion, the sink node send interest or request data containing the coordinates of the sender,
the type of data and the coordinates of the destination node. The data used are the temperature and soil
moisture data which is selected randomly. The research is done by testing the status of nodes that can
be displayed on the serial monitor, each sensor node can perform sensors data and moisture data, as
well as testing the directed diffusion as functional requirements. The results of the research is each node
successfully displays the node status on the serial monitor, each sensor node can perform sensor data
and moisture data, and the system successfully implements the direct diffusion routing protocol.Keywords: Directed Diffusion, Wireless Sensor Network, Arduino Nano, NRF24L01 Sensor Network (WSN). WSN merupakan 1.
PENDAHULUAN sebuah infrastruktur yang terdiri atas
penginderaan, komputasi dan komunikasi yang Pada era ini berbagai teknologi di bidang memberikan administrator kemampuan untuk
embedded dan jaringan mengalami banyak
mengamati dan bereaksi terhadap peristiwa dan perkembangan. Salah satunya ialah Wireless fenomena pada sebuah lingkungan yang spesifik
Fakultas Ilmu Komputer Universitas Brawijaya
8390
(Sohraby, Minoli & Znati, 2007). Pada sebuah WSN terdapat 2 arsitektur topologi yaitu topologi flat dan topologi cluster. Topologi flat merupakan arsitektur WSN dimana semua node sensor yang ada di dalam jaringan memiliki kedudukan yang sama. Sedangkan pada topologi cluster , peran node sensor disusun secara hirarki.
32 Bytes sudah cukup untuk menampung pengiriman dan penerimaan data.
node dan node sensor memiliki skema yang
Skematik rangkaian node yang dibuat dengan hanya membuat 1 skematik, karena sink
menggabarkan bagaimana mikrokontroler arduino nano yang berperan sebagai pemroses data dihubungkan dengan modul komunikasi NRF24L01 yang berperan sebagai media transmisi data.
fritzing . Skematik rangkaian node akan
Skema rangkaian node dirancang menggunaka aplikasi skematik perangkat keras
2.1.1 Perancangan Node
Perancangan perangkat keras berisi proses perancangan node dimana digambarkan skema rangkaian node.
2.1. Perancangan Perangkat Keras
Pada tahap perancangan dan implementasi, pertama-tama dilakukan perancangan sistem yang meliput perancangan perangkat keras, perancangan perangkat lunak dan perancangan topologi node. Lalu dilakukan implementasi perangkat keras dan implementasi perangkat lunak.
IMPLEMENTASI
2. PERANCANGAN DAN
Pada implementasinya, sistem diuji dengan menerapkan protokol routing directed diffusion dengan melakukan transmisi data suhu dan kelembaban tanah. Nilai data suhu dan kelembaban tanah dituliskan langsung pada program dan ditentukan secara acak karena node sensor tidak menggunakan modul sensor yang sebenarnya.
buffer FIFO dari modul NRF24L01 yang sebesar
Pada sebuah topologi flat terdapat beberapa protokol routing pengiriman dan pengumpulan data diantaranya Flooding, Sensor Protocol for
Arduino Nano 3.0 dipilih karena memiliki dimensi board yang kecil yaitu 0,73 x 1,70 inchi. NRF24L01 dipilih sebagai media transmisi data karena pada penelitian yang telah dilakukan sebelumnya oleh Upik Jamil pada tahun 2018, dimana dilakukan perbandingan peforma antara NRF24L01, Xbee dengan ESP8266. Hasilnya NRF24L01 memiliki keunggulan dalam penerimaan data dan memori yang terpakai untuk program modul NRF24L01 hanya 32% dari kapasitas memori mikrokontroler Arduino Uno. Ada pula keuntungan lainnya yaitu lebar
pada sebuah real device yang memanfaatkan mikrokontroler Arduino Nano 3.0 dan menggunakan modul komunikasi NRF24L01.
diffusion pada sebuah wireless sensor network
Kelemahan dari penggunaan aplikasi simulator jaringan adalah simulasi selalu berjalan pada kondisi ideal. Berdasarkan masalah tersebut, penulis ingin mengimplementasikan protokol routing directed
flooding dengan directed diffusion. Dimana pada implementasinya menggunakan simulator NS-2.
sim dan pemrograman java. Dimana hasil pada penelitian tersebut yaitu peningkatan lifetime sensor node pada seluruh jaringan cluster. Penelitian lainnya juga dilakukan oleh Gourav Sharma pada tahun 2009 dengan membandingkan dua protokol routing yaitu
cluster . Pada implementasinya menggunakan J-
Pengembangan dan analisis directed diffusion sebelumnya telah banyak dilakukan. Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan sebelumnya oleh Sahid Ridho pada tahun 2016, dimana protokol routing directed diffusion diimplementasikan pada WSN dengan berbasis
routing SPIN dalam hal transmisi data.
Directed diffusion (DD) adalah sebuah mekanisme routing untuk pengumpulan data dimana konsumen (sink node) mencari sumber data dengan mengirimkan paket ke tujuan dan menemukan rute terbaik untuk menerima data (Intanagonwiwat dkk, 2003). DD merupakan pengembangan dari mekanisme pengiriman data flooding yang mana DD dapat mengurangi kemungkinan tabrakan data dan mengurangi jumlah transmisi data. DD dipilih sebagai objek penelitian karena merupakan protokol routing pengembangan dari flooding dan memiliki efisiensi waktu lebih baik daripada protokol
Dalam WSN, routing secara umum bekerja pada beberapa hop untuk mencapai tujuan (Jain & Khan, 2014).
Information via Negotiation (SPIN), Directed Diffusion (DD), Gradient Routing dan Rumour Routing . Routing adalah proses pengiriman paket data dari node sumber ke node tujuan.
sama. Skematik rangkaian node digambarkan pada Gambar 1. Gambar 1. Skematik Rangkaian Node
Pada Gambar 1 terlihat bahwa terdapat 8 pin pada arduino nano yang digunakan, antara lain 6 pin digital yaitu pin D2 dan D9 sampai D13 serta 2 power pin yaitu pin 3,3V dan GND. Sedangkan pada NRF24L01 semua pin terpakai. Pin D2 terhubung dengan pin IRQ, pin D9 terhubung dengan pin CE, pin D10 terhubung dengan pin CSN, pin D11 terhubung dengan pin MOSI, pin D12 terhubung dengan pin SCK dan pin D13 terhubung dengan pin MISO.
Pada perancangan perangkat lunak ini meliputi diagram alir sistem secara umum, diagram alir sink node, diagram alir node tetangga sink node dan diagram alir node yang bukan tetangga sink node.
Berikut diagram alir sistem secara umum digambarkan pada Gambar 2(a) dan Gambar 2(b).
Gambar 2(a). Diagram Alir Sistem Gambar 2(b). Diagram Alir Sistem
Pada Gambar 2(a) dan Gambar 2(b) dapat dilihat bahwa sink node memasukkan perintah permintaan data melalui serial monitor. Kemudian sink node melakukan broadcast
interest
. Node sensor tetangga sink node akan memeriksa apakah node tujuan sama dengan ID miliknya. Jika sama node tetangga sink akan langsung membalas interest dengan mengirimkan data sensor ke sink node. Sebaliknya jika bukan, maka node tetangga sink
2.2 Perancangan Perangkat Lunak
node
akan broadcast ulang interest dengan menambahkan ID miliknya pada daftar ID pengirim. Saat node sensor tujuan menerima
interest , maka node tersebut akan melakukan sorting interest berdasarkan jumlah hop terkecil.
Kemudian node sensor akan mengirim data sensor melalui node sensor pengirim interest sebelumnya untuk diteruskan kepada sink node.
2.2.1 Diagram Alir Sistem
2.2.2 Diagram Alir Sink Node
Berikut diagram alir sink node digambarkan pada Gambar 3(a) dan Gambar 3(b).
Gambar 3(a). Diagram Alir Sink Node
Gambar 3(b). Diagram Alir Sink Node
Pada Gambar 3(a) dan Gambar 3(b) digambarkan bahwa sink node mulai bekerja dengan membaca input perintah dari serial monitor. Lalu dilakukan proses ekstrak data perintah dan melakukan parsing data untuk mengenali perintah. Kemudian perintah data sensor. Jika ada perintah data sensor, maka sink
node akan melakukan broadcast interest sampai
pada batas waktu count sambil menunggu data sensor masuk. Ketika ada data sensor masuk, maka akan dilakukan ekstrak data untuk ditampilkan pada serial monitor.
Berikut diagram alir sistem node tetangga
sink node digambarkan pada Gambar 4(a) dan Gambar 4(b).
Gambar 4(a). Diagram Alir Node Tetangga Sink Node
Gambar 4(b). Diagram Alir Node Tetangga Sink Node
Pada Gambar 4(a) dan Gambar 4(b) digambarkan bahwa node tetangga sink node mulai bekerja dengan mengambil data sensor dan menunggu input data. Kemudian saat terdapat input data, maka akan diekstrak dan dilakukan parsing data untuk mengenali isi data. Jika terdapat data sensor pada pesan, maka node sensor akan forward pesan ke alamat tujuan. Sebaliknya node sensor akan melakukan cek ID tujuan, jika sama dengan ID miliknya maka sensor node akan mengirimkan data sensor yang diminta sink node. Dan jika ID tujuan tidak sama dengan ID miliknya, maka node sensor akan broadcast data.
2.2.4 Diagram Alir Node Yang Bukan Tetangga Sink Node
Berikut diagram alir node yang bukan tetangga sink node digambarkan pada Gambar 5(a) dan Gambar 5(b).
2.2.3 Diagram Alir Node Tetangga Sink Node
Gambar 5(a). Diagram Alir Node Yang Bukan Tetangga Sink Node Gambar 5(b). Diagram Alir Node Yang Bukan Tetangga Sink Node
Pada Gambar 5(a) dan Gambar 5(b) digambarkan bahwa node yang bukan tetangga
board . Semua node diberi daya melalui kabel USB yang dihubungkan oleh USB hub.
diffusion .
3. Pengujian fungsional, yaitu pengujian implementasi protokol routing directed
2. Pengujian setiap sensor node dapat menampilkan data sensor pada serial monitor.
1. Pengujian setiap node dapat menampilkan status node pada serial monitor.
Pengujian pada penelitian ini dibagi menjadi 3 skenario pengujian yaitu,
3. PENGUJIAN DAN ANALISIS
mikrokontroler arduino nano yang telah dituliskan sebelumnya dengan memanfaatkan perangkat lunak Arduino IDE dan library RF24.
node sensor. Kode program ditanamkan pada
Implementasi perangkat lunak dilakukan dengan menanamkan kode program pada masing-masing node baik sink node maupun
2.5 Implementasi Perangkat Lunak
Pada Gambar 7 merupakan penampilan dari sistem yang tampak dari atas. Dapat dilihat bawah terdapat 7 node yang dimana setiap mikrokontroler arduino nano dihubungkan dengan modul NRF24L01 pada sebuah trainer
sink node
Gambar 7. Implementasi Perangkat Keras
Sistem diimplementasikan dengan membangun 7 buah node dimana terdapat 1 sink dan 6 node sensor. Berikut hasil implementasi perangkat keras ditunjukkan oleh Gambar 7.
2.4 Implementasi Perangkat Keras
Pada Gambar 6 dapat dilihat bahwa ID node diinisialisasi berdasarkan letak koordinat pada topologi jaringan. Sink node berada pada koordinat (4,9) dan sisanya adalah node sensor. Titik koordinat hanya digunakan sebagai penamaan ID node, bukan sebagai acuan dalam peletakan posisi node.
Gambar 6. Skema Topologi Jaringan Node
Perancangan topologi merupakan gambaran dari topologi jaringan yang diterapkan pada sistem. Topologi yang digunakan adalah topologi flat. Berikut perancangan topologi digambarkan pada Gambar 6.
ID miliknya, maka node tidak akan mengeksekusi pesan.
ID miliknya maka sensor node akan mengirimkan data sensor yang diminta sink node kepada ID node sensor yang menjadi pengirim terakhir. Dan jika ID tujuan tidak sama dengan
berdasarkan jumlah hop terkecil. Node sensor akan melakukan cek ID tujuan, jika sama dengan
node sensor akan melakukan sorting pesan
mulai bekerja dengan mengambil data sensor dan menunggu pesan masuk. Kemudian saat terdapat pesan masuk pesan akan ditampung hingga berjumlah 5 pesan atau kurang dari waktu maksimal timeout. Jika kondisi penuh maka
2.3 Perancangan Topologi
3.1. Pengujian Setiap Node Dapat Menampilkan Status Node Pada Serial Monitor
Setiap node diuji untuk menampilkan status
73 Sensor Node Berhasil Ditampilkan
node pada serial monitor. Status node yang ditampilkan berisi ID node dan tipe node.
Pengujian fungsional dibagi menjadi 2 proses pengujian, yaitu pengujian pengiriman data sensor suhu dan pengujian pengiriman data sensor kelembaban tanah.
Tujuan dari pengujian fungsional adalah untuk mengetahui apakah sistem dapat mengimplementasikan protokol routing directed diffusion .
3.3.1 Pengujian Pengiriman Data Sensor Suhu
Sistem diuji dengan cara sink node melakukan permintaan data sensor suhu ke setiap node sensor yang ada secara bertahap. Kemudian melakukan cek apakah node sensor tujuan dapat membalas permintaan sink node atau tidak. Proses dilakukan hingga seluruh node sensor berhasil mengirimkan data sensor suhu ke
sink node.
Berikut adalah hasil dari pengujian fungsional pengiriman data sensor suhu yang disajikan pada Tabel 3 sebagai ulasan hasil pengiriman dan penerimaan interest dan Tabel 4 sebagai ulasan hasil pengiriman data sensor suhu.
Berdasarkan data yang diperoleh dari Tabel 1, setiap node berhasil menampilkan status node pada serial monitor.
77 Sensor Node Berhasil Ditampilkan
45 Sensor Node Berhasil Ditampilkan
Berdasarkan data yang diperoleh dari Tabel 2, setiap sensor node berhasil menampilkan data sensor pada serial monitor. Nilai dari sensor yang ditampilkan adalah nilai sensor suhu dan kelembaban tanah.
17 Sensor Node Berhasil Ditampilkan
15 Sensor Node Berhasil Ditampilkan
41 Sensor Node Berhasil Ditampilkan
49 Sink node Berhasil Ditampilkan
Tipe Node Status Node
ID Node
Tabel 1. Hasil Pengujian Menampilkan Status Node Pada Serial Monitor
node dapat menampilkan status node pada serial monitor akan disajikan pada Tabel 1.
Berikut adalah hasil dari pengujian setiap
Tujuan dari pengujian ini adalah untuk mengetahui atau memastikan bahwa node telah terhubung dengan serial monitor dan siap untuk beroperasi.
3.3. Pengujian Fungsional
3.2. Pengujian Setiap Sensor Node Dapat Menampilkan Data Sensor Pada Serial Monitor
45 Sensor Node Berhasil Ditampilkan
Tabel 3. Hasil Pengiriman Dan Penerimaan Interest Node
Setiap node diuji untuk menampilkan data sensor suhu dan kelembaban tanah pada serial monitor.
Pengirim Data Sensor Status Pengiriman Data Sensor Status Penerimaan Data Sensor Oleh Sink node
Tabel 4. Hasil Pengujian Pengiriman Data Sensor Suhu Node
Berdasarkan data yang diperoleh dari Tabel 3, sink node berhasil mengirimkan interest ke seluruh node sensor dan seluruh node sensor berhasil menerima interest dari sink node.
(4,9) (1,5) Interest Diterima (1,7) Interest Diterima (4,1) Interest Diterima (4,5) Interest Diterima (7,3) Interest Diterima (7,7) Interest Diterima
Status Penerimaan Interest
Penerima Interest
Pengirim Interest Node
Tujuan dari pengujian ini adalah untuk mengetahui atau memastikan bahwa node dapat melakukan pemrosesan data sensor secara acak dari kode program yang telah ditanamkan. Karena node sensor tidak menggunakan modul sensor sesungguhnya.
73 Sensor Node Berhasil Ditampilkan
Berikut adalah hasil dari pengujian setiap
node sensor dapat menampilkan data sensor pada serial monitor akan disajikan pada Tabel 2.
Tabel 2. Hasil Pengujian Menampilkan Data Sensor Pada Serial Monitor
ID Node
Tipe Node Data Sensor
15 Sensor Node Berhasil Ditampilkan
17 Sensor Node Berhasil Ditampilkan
77 Sensor Node Berhasil Ditampilkan
41 Sensor Node Berhasil Ditampilkan
(1,5) Dikirim Data Sensor Diterima (1,7) Dikirim Data Sensor Diterima (4,1) Dikirim Data Sensor Diterima (4,5) Dikirim Data Sensor Diterima (7,3) Dikirim Data Sensor Diterima (7,7) Dikirim Data Sensor Diterima
Berdasarkan data yang diperoleh dari Tabel 6, seluruh sensor node berhasil mengirimkan data sensor kelembaban tanah ke sink node dan
Jamil, U. 2018. Analisis Kinerja Pengiriman Data Modul Transceiver NRF24l01, Xbee dan Wifi ESP8266 Pada Wireless sensor network. Jurnal Pengembangan
Industry and Government (CSIBIG) , 1, 1-6.
Analysis of Directed diffusion and SPIN Routing Protocol in Wireless sensor network. Conference on IT in Business,
2-16. Jain, V., & Khan, N., A. 2014. Simulation
IEEE/ACM Transactions on Networking (TON) , 11,
Directed Diffusion For Wireless Sensor Networking. Journal
Intanagonwiwat, C., Govindan, R., Estrin, D., Heidemann, J., & Silva, F. 2003.
5. DAFTAR PUSTAKA
Diharapkan pada penelitian selanjutnya, setiap node sensor dapat menggunakan modul sensor yang sebenarnya, lalu setiap node dapat melakukan permintaan data sensor sehingga tidak hanya satu node saja. Kemudian node sensor mampu untuk mengirimkan lebih dari satu jenis data sensor dalam setiap pengiriman.
diffusion pada skenario pengiriman data sensor suhu dan data sensor kelembaban tanah.
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, setiap node baik sink node dan node sensor dibangun dengan menggunakan mikrokontroler arduino nano sebagai pemroses data dan modul NRF24L01 sebagai media transmisi data. Setiap node diberikan ID berdasarkan titik koordinat pada topologi jaringan. Dan berdasarkan hasil dari pengujian yang telah dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa dari 7 node yang diimplementasikan, seluruhnya dapat menampilkan status node pada serial monitor. Kemudian seluruh node sensor berhasil menampilkan data sensor suhu dan data sensor kelembaban tanah pada serial monitor. Pada hasil pengujian fungsional, sistem dapat mengimplementasikan protokol routing directed
4. KESIMPULAN
sink node berhasil menerima data sensor kelembaban tanah dari seluruh node sensor.
(7,3) Dikirim Data Sensor Diterima (7,7) Dikirim Data Sensor Diterima
Berdasarkan data yang diperoleh dari Tabel 4, seluruh sensor node berhasil mengirimkan data sensor suhu ke sink node dan sink node berhasil menerima data sensor suhu dari seluruh
(1,5) Dikirim Data Sensor Diterima (1,7) Dikirim Data Sensor Diterima (4,1) Dikirim Data Sensor Diterima (4,5) Dikirim Data Sensor Diterima
Pengirim Data Sensor Status Pengiriman Data Sensor Status Penerimaan Data Sensor Oleh Sink node
Tabel 6. Hasil Pengujian Pengiriman Data Sensor Suhu Node
Berdasarkan data yang diperoleh dari Tabel 5, sink node berhasil mengirimkan interest ke seluruh node sensor dan seluruh node sensor berhasil menerima interest dari sink node.
(4,9) (1,5) Interest Diterima (1,7) Interest Diterima (4,1) Interest Diterima (4,5) Interest Diterima (7,3) Interest Diterima (7,7) Interest Diterima
Status Penerimaan Interest
Penerima Interest
Pengirim Interest Node
Tabel 5. Hasil Pengiriman Dan Penerimaan Interest Node
Berikut adalah hasil dari pengujian fungsional pengiriman data sensor kelembaban tanah yang disajikan pada Tabel 5 sebagai ulasan hasil pengiriman dan penerimaan interest dan Tabel 6 sebagai ulasan hasil pengiriman data sensor kelembaban tanah.
seluruh node sensor berhasil mengirimkan data sensor kelembaban tanah ke sink node.
node sensor tujuan dapat membalas permintaan sink node atau tidak. Proses dilakukan hingga
Sistem diuji dengan cara sink node melakukan permintaan data sensor kelembaban tanah ke setiap node sensor yang ada secara bertahap. Kemudian melakukan cek apakah
node sensor.
3.3.2 Pengujian Pengiriman Data Sensor Kelembaban Tanah
Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer , 2, 1510-1517.
Ridho, S., & Yasri, I. 2016. Analisa Model Directed diffusion (DD) Berbasis Cluster Pasa Wireless sensor network (WSN). Jurnal Online Mahasiswa
Fakultas Teknik : Universitas Riau , 3, 1- 14.
Sharma, G., Bala, S., & Verma, A., K. 2009.
Comparison of Flooding and Directed Diffusion for Wireless Sensor Network.
Annual IEEE India Conference , 1, 1-4.
Sohraby, K., Minoli, D., & Znati, T., F. 2007.
Wireless sensor networks: technology, protocols, and applications. John Wiley & Sons. New York.