Implementasi Wireless Sensor Node untuk Pemantauan Lahan Pertanian Berbasis Protokol 802.15.4

  

Vol. 2, No. 11, November 2018, hlm. 5777-5783 http://j-ptiik.ub.ac.id

Implementasi Wireless Sensor Node untuk Pemantauan Lahan Pertanian

Berbasis Protokol 802.15.4

_{1 2 3} Muhammad Misbahul Munir , Sabriansyah Rizqika Akbar , Adhitya Bhawiyuga

  Program Studi Teknik Komputer, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya _{1 2 3} Email: ibah07@live.com, sabrian@ub.ac.id, bhawiyuga@ub.ac.id

  

Abstrak

Wireless Sensor Node merupakan elemen utama dalam Wireless Sensor Network (WSN). Dengan

  menggunakan WSN petani dapat mengetahui kondisi lahan pertanian sehingga dapat menangani lahan dengan tepat. Pada WSN, protokol IEEE 802.15.4 lebih cocok digunakan untuk memantau lahan pertanian karena memiliki 40% peningkatan efisiensi energi dibandingkan dengan IEEE 802.11. Untuk membentuk WSN dengan topologi tree dibutuhkan 3 jenis node, yaitu End device, Coordinator, dan

  

PAN Coordinator. Setiap node terdiri dari Arduino Nano dan MRF24J40MA yang menggunakan

  komunikasi SPI. Pada End device hasil pengambilan data sensor suhu, kelembapan udara, dan kelembapan tanah memiliki perbedaan dengan data alat ukur. Posisi dalam penempatan node berpengaruh terhadap kinerja dari jaringan wireless sensor node. Berdasarkan packet loss, rentang maksimum pada pengiriman data sensor adalah 104 meter dari End device ke Coordinator dan 96 meter dari Coordinator ke PAN Coordinator. Jarak yang optimal adalah 15 meter dari End device ke

Coordinator . Setiap pengiriman data sensor dilakukan setiap 10 detik dengan payload sebesar 17 byte.

  Kata kunci: Wireless Sensor Network, topologi tree, kinerja wireless sensor node

Abstract

Wireless Sensor Nodes is the main element in Wireless Sensor Network (WSN). Farmers can find

out the condition of farmland by using WSN to handle the land appropriately. On WSN, IEEE 802.15.4

  

Protocols more suitable to monitor farmland because it has a 40% improvement in energy efficiency

compared to IEEE 802.11. To form the WSN with tree topology, it takes 3 types of nodes, i.e. End

device, the Coordinator, and the PAN Coordinator. Each node consists of the Arduino Nano and

MRF24J40MA that uses communication SPI. In the End device the results data captured by temperature,

humidity, and soil moisture sensors are different with data from measurement device. The position of

node placement affected on performance of wireless sensor node. Based on packet loss, maximum

distance in the transmission of sensor data is 104 metres from the End device to the Coordinator and

96 metres from Coordinator to the PAN Coordinator. The optimal distance is 72 meters of the End

device to the Coordinator. Each transmission of sensor data is carried out every 10 seconds with 17

bytes of data payload.

  Keyword: Wireless Sensor Network, tree topology, performance of wireless sensor nodes

  sebesar 7,4%/tahun dan impor sekitar 1.

   PENDAHULUAN 13,1%/tahun (Kementerian Pertanian, 2015).

  Pertanian menjadi tulang punggung Dari sisi lingkungan, salah satu faktor ekonomi dari negara-negara berkembang seperti penting yang mempengaruhi produksi pertanian

  Indonesia. Metode tradisional pertanian yang adalah kondisi tanah. Bagi tanaman, tanah dipraktikkan di Indonesia tidak memadai dalam berfungsi sebagai tempat tumbuhnya tanaman, memenuhi permintaan untuk produk pertanian tempat persediaan udara bagi akar tanaman, karena pertambahan jumlah penduduk. Selama tempat persediaan unsur hara, dan sebagai periode 2010-2014 kondisi perdagangan tempat persediaan air (Rina, 2015). Kondisi komoditas tanaman pangan Indonesia dalam tanah dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor posisi defisit, dengan laju pertumbuhan ekspor

  Fakultas Ilmu Komputer Universitas Brawijaya

5777 meliputi suhu, cahaya, kelembaban tanah, pH tanah, dll ( Fahmi, et al., 2017).

  Untuk mengetahui kualitas tanah, petani umumnya hanya mengandalkan pengalaman bertani selama bertahun-tahun dengan melihat kondisi permukaan tanah dan keadaan tanaman (Bakhri & Sudaryono, 2016). Petani juga tidak menggunakan alat ukur yang presisi untuk mengetahui kualitas tanah sehingga penangan pada lahan pertanian tidak tepat dan terlambat. Agar penanganan tepat dan tidak terlambat maka diperlukan pemantauan lahan pertanian setiap hari. Ada 2 jenis pemantauan lahan pertanian yaitu secara manual dengan mendatangi lahan pertanian dan pemantauan otomatis dengan teknologi wireless sensor node.

  node untuk mengetahui kinerja pengiriman data

  2. PERANCANGAN SISTEM WIRELESS

  sensor dari jaringan wireless sensor node pada lahan pertanian.

SENSOR NODE

  Coordinator. Hasil penelitian akan didapatkan

  channel = 11. Sistem dibentuk dari 1 PAN Coordinator , 1 Coordinator, dan 2 End device. PAN Coordinator memiliki alamat 0x3, sedangkan Coordinator memiliki alamat 0x2.

  Konfigurasi pin modul transceiver MRF24J40MA dengan Arduino Nano ditunjukkan pada Gambar 2, komunikasi yang digunakan adalah komunikasi Serial Peripheral Interface (SPI).

  Coordinator

  Perancangan Coordinator dan PAN

  2.1 Perancangan Perangkat Keras 1.

  Node 1 yang memiliki id 0x1 dan alamat 0x6 dan Node 2 memiliki id 0x1 dan alamat 0x7.

  pada End device, Node terbagi menjadi 2 yaitu

  Gambar 1 Perancangan topologi sistem Gambar 1 merupakan topologi sistem, sistem dibentuk dengan PAN ID = 0xcafe dan

  dari pengujian akurasi sensor hujan, sensor suhu dan kelembapan udara (DHT11), dan sensor kelembapan tanah (YL-69) serta penempatan

  perancangan perangkat keras dan perangkat lunak.

  Wireless sensor node merupakan elemen utama dalam Wireless Sensor Network (WSN).

  Pada perancangan sistem wireless sensor Gambar 2 Konfigurasi pin Coordinator dan

  WSN berfungsi untuk mengambil data yang ada di lahan pertanian kemudian diolah dan dikirimkan menggunakan jaringan nirkabel (Dargie & Poellabauer, 2010). Dengan menggunakan WSN petani dapat mengetahui kondisi lahan pertanian sehingga dapat menangani lahan pertanian dengan tepat. Isu utama dalam desain sistem pada WSN adalah konservasi energi terutama jika digunakan pada lahan pertanian (Sachan, et al., 2012). Energi adalah sumber yang sangat vital, sehingga untuk membentuk WSN diperlukan sebuah protokol jaringan agar antar node bisa saling berkomunikasi dengan penggunaan energi yang sedikit.

  Pada WSN ada beberapa protokol yang digunakan yaitu IEEE 802.11b/g dan IEEE 802.15.4. IEEE 802.15.4 lebih cocok digunakan untuk memantau lahan pertanian dengan penggunaan energi yang sedikit, karena memiliki 40% peningkatan efisiensi energi dibandingkan dengan IEEE 802.11 (Nair, et al., 2015). Selain itu, 802.15.4 fokus penerapannya pada pemantauan dan kontrol dengan bandwidth 0,020-0,25 Mbps. Sehingga 802.15.4 tepat digunakan pada lahan pertanian. (Sohraby, et al., 2007).

  Berdasarkan permasalahan yang telah disampaikan, penulis melakukan penelitian mengenai “Implementasi Wireless sensor node Untuk Pemantauan Lahan Pertanian Berbasis Protokol 802.15.4”. Pada penelitian ini topologi yang digunakan adalah tree dengan 3 jenis node, yaitu End device, Coordinator, dan PAN

  node berisi tentang tentang topologi,

  PAN

  Coordinator 2. Perancangan End device

  Gambar 3 merupakan konfigurasi pin End

  device yang digunakan oleh Arduino Nano

  dengan MRF24J40MA, sensor hujan, sensor suhu dan kelembapan udara (DHT11), dan sensor kelembapan tanah (YL-69).

  Gambar 3 Konfigurasi pin End device

  Gambar 4 Flowchart End device 2. Perancangan Coordinator dan PAN

2.2 Perancangan Perangkat Lunak 1.

  digunakan untuk mengambil data sensor menggunakan sensor hujan, DHT11 dan YL-69, data dari sensor akan diproses oleh Arduino Nano agar dapat dikirimkan kepada Coordinator menggunakan modul transceiver MRF24J40MA.

  Pada flowchart End device yang ditunjukkan pada Gambar 4, End device memulai inisialisasi perangkat sebagai End device, hal ini diperlukan untuk menentukan perangkat sebagai End device atau Coordinator dan PAN Coordinator. Kemudian menentukan PAN Id seperti yang digunakan oleh PAN Coordinator, setelah menentukan PAN Id selanjutnya menentukan tipe modul, channel, inisialisasi variabel global dan inisialisasi pin yang digunakan Arduino Nano agar terhubung dengan periperal. Kemudian menentukan alamat yang digunakan

  End device dengan format hexadesimal, setelah

  End device merupakan perangkat yang

  Perancangan End device

  Coordinator Coordinator merupakan perangkat yang

  digunakan untuk menghubungkan antara End

  device dengan PAN Coordinator . PAN Coordinator merupakan perangkat yang

  digunakan untuk mengatur semua device yang ada serta sebagai gateway WSN. Coordinator dan PAN Coordinator bersifat full-function device.

  Pada flowchart Coordinator dan PAN

  Coordinator yang ditunjukkan pada Gambar 5,

  program dimulai dengan inisialisasi perangkat sebagai Coordinator atau PAN Coordinator, hal ini diperlukan untuk menentukan perangkat sebagai End device atau Coordinator dan PAN

  Coordinator , kemudian menentukan PAN id

  seperti yang digunakan oleh PAN Coordinator, setelah menentukan PAN id selanjutnya menentukan tipe modul, channel, inisialisasi variabel global dan inisialisasi pin yang digunakan Arduino Nano agar terhubung dengan periperal. Kemudian menentukan alamat yang ^D13/SCK digunakan Coordinator atau PAN Coordinator ^{D12/MISO D11/MOSI D8 D6 D2 3V3 GND 3V3 5V A0 A1 D4}

  ditentukan alamatnya maka End device akan membaca data sensor yang digunakan dan mengirimkannya kepada Coordinator, setiap pengiriman packet akan diberi urutan dari pengiriman packet tersebut. dengan format hexadesimal, setelah ditentukan alamatnya maka Coordinator/PAN Coordinator akan memperbarui topologinya kemudian

  Coordinator

  2 Urutan packet Byte

  Gambar 7 Perangkat End device

  dengan masing-masing node menggunakan 3 sensor yaitu sensor hujan, sensor kelembapan udara dan suhu udara (DHT11), dan sensor kelembapan tanah (YL-69). Komponen yang digunakan untuk mengolah data sensor adalah Arduino Nano, serta modul yang digunakan untuk komunikasi antar node berbasis protokol 802.15.4 adalah modul MRF24J40MA. Konfigurasi pin pada perangkat tersebut sesuai dengan perancangan pada Gambar 3 dan masing-masing komponen dihubungkan menggunakan kabel jumper. Pada Gambar 7 menunjukkan hasil implementasi dari perancangan perangkat End device.

  device , implementasi perangkat ini ada 2 node

  Berdasarkan perancangan perangkat End

  3.1 Implementasi Perangkat End device

  NODE

  4 3.

  2 Kelembapan tanah Float

  4 Hujan Integer

  4 Suhu udara Float

  1 Kelembapan udara Float

  Id Integer

  /PAN Coordinator siap untuk menerima data dan akan update topologi, setelah menerima packet maka packet tersebut akan dihitung sesuai urutannya, kemudian

  Nama Data Tipe Data Ukuran Data (Byte)

  Tabel 1 Struktur Detail Data Payload

  Perancangan Data Payload Ukuran data payload yang akan dikirimkan dengan modul transceiver MRF24J40MA sebesar 17 Byte dengan pembagian yang ditunjukkan pada Tabel 1.

  Gambar 6 Perancangan Transmisi packet 4.

  maksimal ukuran data frame sebesar 127 Byte dengan pembagian 9 Byte MAC Header (MHR), 1-116 Byte Data Payload (MSDU), dan 2 Byte MAC Footer (MFR).

  packet digunakan. Pada MAC Data Frame

  Perancangan transmisi packet Gambar 6 merupakan struktur transmisi

  Coordinator 3.

  Gambar 5 Flowchart Coordinator dan PAN

  Coordinator akan mengirimkan data sensor tersebut kepada server.

  tersebut kepada PAN Coordinator atau PAN

  Coordinator akan mengirimkan data sensor

IMPLEMENTASI WIRELESS SENSOR

  dan 349 pada node 2.

3.2 Implementasi Perangkat Coordinator

  Pada pengujian sensor kelembapan & suhu

  dan PAN Coordinator

  udara, pengambilan data dilakukan oleh node 1 Berdasarkan perancangan perangkat dan 2. Pengujian sensor kelembapan & suhu dan PAN Coordinator, Arduino

  Coordinator

  udara mempunyai hasil 40% & 30.00˚C pada Nano yang digunakan untuk mengolah data

  node 1, pada node

  2 yakni 41% & 30.00˚C, sensor, serta modul yang digunakan untuk sedangkan dengan alat ukur kelembapan & suhu komunikasi antar node berbasis protokol udara mempunyai nilai 48% & 30.5˚C. 802.15.4 adalah modul MRF24J40MA. Konfigurasi pin pada perangkat tersebut sesuai

  Tabel 2 Pengujian Pengambilan Data Sensor dengan perancangan pada Gambar 2 dan masing-masing komponen dihubungkan

  Nilai Nama Keadaan Nilai

  menggunakan kabel jumper. Pada Gambar 8 Id alat

  sensor lingkungan Sensor ukur

  menunjukkan hasil implementasi dari

  1 - YL-69 2-3 21.9%

  perancangan perangkat Coordinator dan PAN

• 2 YL-69 2-3 23.8% Coordinator .

  Sensor Terkena

• 1 425 hujan percikan air Sensor Terkena - 2 450 hujan percikan air Sensor Terkena air
• 1 375 hujan seluruhnya Sensor Terkena air

  2 349 - hujan seluruhnya 48% & 40% &

• 1 DHT11

  30.5

  30.0 ˚C ˚C 48% & 41% &

• 2 DHT11

  30.5

  30.0 ˚C ˚C

  4.2 Pengujian adanya pengiriman data

  Gambar 8 Perangkat Coordinator dan PAN

  sensor dari End device ke Coordinator dan Coordinator.

  Coordinator ke PAN Coordinator 4.

PENGUJIAN DAN ANALISIS

  Pada pengujian pengiriman data, pengujian dilakukan setiap 10 detik dengan payload

  sebesar 17 byte.

4.1 Pengujian adanya pengambilan data sensor pada End device

  Hasil dari pengujian pengambilan data sensor berdasarkan Tabel 2 adalah pengujian sensor kelembapan tanah mempunyai hasil

  Gambar 9 Pengujian adanya pengiriman data 21.99% pada node 1 dan 23.85% pada node 2, sensor dari End device ke Coordinator dan sedangkan dengan alat ukur kelembapan tanah

  Coordinator ke PAN Coordinator mempunyai nilai antara 2 dan 3 dengan rentang Gambar 9 dan Tabel 3 menunjukkan hasil nilai pengukuran 1 sampai 10. dari Hasil pengujian pengiriman dari End device

  Pada pengujian sensor hujan keadaan lingkungan yang diuji adalah dengan kondisi ke Coordinator dan Coordinator ke PAN penampang sensor terkena percikan air dan

  Coordinator , pengiriman data berhasil tanpa penampang sensor terkena air seluruhnya.

  kehilangan data, data yang dikirimkan oleh Pengambilan data oleh dilakukan node 1 dan 2.

  Coordinator berasal dari node 1 dan node 2

  Pada saat sensor terkena percikan air nilai yang dengan urutan packet ke-2, nilai dari didapatkan adalah 425 pada node 1 dan 450 pada kelembapan udara 61%, suhu udara 29

  C, data

  ˚ node 2, pada saat sensor terkena air seluruhnya hujan 1023, dan kelembapan tanah 0.10%.

  nilai yang didapatkan adalah 375 pada node 1

  Tabel 3 Hasil pengujian pengiriman End device adalah 15 meter. Pada jarak 20 dan 25 meter, ke Coordinator pengiriman packet sebanyak 20 kali terdapat 5 kali packet loss. Pada jarak 40 meter, pengiriman

  Nama

  sebanyak 16 kali terdapat 2 kali packet

  Nama Berhasil Nilai packet No End sensor Terdeteksi sensor loss . Pada jarak 72 meter, pengiriman packet device

  sebanyak 34 kali terdapat 5 kali packet loss. Pada

  29 ˚C &

  jarak 80 meter, pengiriman packet sebanyak 44

  1 Node

  1 DHT11 Ya 61%

  kali terdapat 39 kali packet loss. Pada jarak 121

  29 ˚C &

  meter, pengiriman packet sebanyak 36 kali

  2 Node

  2 DHT11 Ya 61%

  terdapat 36 kali packet loss.

  Sensor

  3 Node

  1 Ya 1023

  Tabel 4 hasil pengujian kinerja pengiriman data

  hujan dari End device ke PAN Coordinator. Sensor

  4 Node

  2 Ya 1023 hujan Jarak End device ke Jumlah packet loss Jumlah data

  PAN Coordinator

  5 Node

  1 YL-69 Ya 0.1% transfer Id 1 Id 2 (meter)

  6 Node

  2 YL-69 Ya 0.1%

  15

  20

  20

  20

  4

  1

4.3 Pengujian kinerja pengiriman data dari

  End device ke PAN Coordinator

  25

  20

  4 Gambar

  10 menunjukkan Pengujian

  40

  16

  1

  1

  pengiriman data dari End device ke PAN

  72

  34

  2

  3 Coordinator.

  80

  44

  19

  20 121

  36

  18

  18

  4.4 Pengujian kinerja pengiriman data dari End device ke Coordinator dan

  End device Coordinator ke PAN Coordinator

  Gambar 11 menunjukkan Pengujian dan dari kinerja pengiriman data dari End device ke

  Coordinator dan Coordinator ke PAN Coordinator .

  End device 72 m

  Coordinator 72 m

  PAN Coordinator PAN Coordinator

  Gambar 10 Pengujian kinerja pengiriman data dari End device ke PAN Coordinator Gambar 11 Pengujian kinerja pengiriman data

  Berdasarkan Gambar 10 variabel yang diuji dari End device ke Coordinator dan adalah jarak End device ke PAN Coordinator,

  Coordinator ke PAN Coordinator jumlah data transfer, dan jumlah packet loss.

  Berdasarkan pengujian pada Gambar 11, Tabel 4 menunjukkan hasil pengujian kinerja

  Variabel yang diuji adalah jarak End device ke pengiriman data dari End device ke PAN

  Coordinator , jarak Coordinator ke PAN Coordinator . Jarak optimal yang diperoleh

  Coordinator

  Intelligent Technology and Its Application, pp. 323-328.

  kelembapan udara, dan kelembapan tanah memiliki perbedaan dengan data alat ukur. Posisi dalam penempatan node berpengaruh terhadap kinerja dari jaringan wireless sensor node. Berdasarkan packet loss, rentang maksimum pengiriman data sensor adalah 104 meter dari

  End device ke Coordinator dan 96 meter dari Coordinator ke PAN Coordinator. Jarak yang

  optimal adalah 15 meter dari End device ke Coordinator .

  6. DAFTAR PUSTAKA

  Bakhri, F. R. & Sudaryono, L., 2016. Faktor- Faktor yang Mempengaruhi Produktivitas

  Padi Antara Kecamatan Peterongan dan Kecamatan Megaluh. Jurnal Pendidikan Geografi, 3(3), pp. 416-422.

  Dargie, W. & Poellabauer, C., 2010.

  Fundamentals of wireless sensor networks : theory and practice. West

  Sussex: John Wiley & Sons Ltd. Fahmi, N. et al., 2017. A Prototype of

  Monitoring Precision Agriculture System Based on WSN. International Seminar on

  Kementerian Pertanian, 2015. RENCANA

  Untuk membentuk WSN dengan topologi

  STRATEGIS KEMENTERIAN PERTANIAN TAHUN 2015-2019, Jakarta

  Selatan: Kementerian Pertanian. Nair, L. S., R, V. & Jacob, G. M., 2015. Energy

  Efficiency Improvement Using IEEE 802.15.4 in Cooperative Wireless Sensor Networks. IOSR Journal of Electronics &

  Communication Engineering (IOSR- JECE), pp. 23-28.

  Rina, 2015. Pengaruh Kondisi Tanah bagi

  Tanaman. [Online]

  Available at: http://kaltim.litbang.pertanian.go.id/ind/in dex.php?option=com_content&view=arti cle&id=735:pengaruh-kondisi-tanah- bagi- tanaman&catid=15:benih&Itemid=59 [Diakses 7 July 2018]. Sachan, V. . K., Imam, S. . A. & Beg, M. T.,

  2012. Energy-efficient Communication Methods in Wireless Sensor Networks: A Critical Review. International Journal of

  Computer Applications, 39(17), pp. 35- 48.

  Sohraby, k., Minoli, D. & Znati, T., 2007.

  Wireless Sensor Networks Technology, Protocols, and Applications. New Jersey:

  tree dibutuhkan 3 jenis node, yaitu End device, Coordinator , dan PAN Coordinator. Pada End device hasil pengambilan data sensor suhu,

  5. KESIMPULAN

  , jumlah data transfer, dan jumlah packet loss. Tabel 5 menunjukkan hasil pengujian dari kinerja pengiriman data dari End device ke

  31

  Coordinator dan Coordinator ke PAN Coordinator .

  Tabel 5 Hasil pengujian kinerja pengiriman data dari End device ke Coordinator dan

  Coordinator ke PAN Coordinator Jarak End device ke Coordinator

  (meter) Jarak Coordinator ke PAN

  Coordinator (meter) Jumlah data transfer Jumlah packet loss

  Id 1 Id 2

  72

  72

  20

  1 104

  80

  29

  packet sebanyak 48 kali terdapat 24 kali packet loss pada id 1 dan id 2.

  29 104

  96

  24

  23

  23 104 104

  24

  24

  24 Berdasarkan hasil pengujian pada Tabel 5,

  pada jarak 72 meter dan 72 meter, pengiriman

  packet sebanyak 40 kali tidak ada packet loss

  pada id 1 dan 1 kali packet loss pada id 2. Pada jarak 104 meter dan 80 meter, pengiriman packet sebanyak 62 kali terdapat 29 kali packet loss pada id 1 dan id 2. Pada jarak 104 meter dan 96 meter, pengiriman packet sebanyak 48 kali terdapat 23 kali packet loss pada id 1 dan id 2. Pada jarak 104 meter dan 104 meter, pengiriman

  John Wiley & Sons, Inc.