Rancang Bangun Low Power Pada Wireless Sensor Node Berbasis NRF24L01+

  

Vol. 2, No. 10, Oktober 2018, hlm. 3843-3850 http://j-ptiik.ub.ac.id

Rancang Bangun Low Power Pada Wireless Sensor Node Berbasis

₁ NRF24L01+ _{2 3} Rachmat Eko Prasetyo , Sabriansyah Rizqika Akbar , Rizal Maulana

  Program Studi Teknik Informatika, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya _{1 2 3} Email: prasetyo.rachmateko@gmail.com, sabrian@ub.ac.id, rizal_lana@ub.ac.id

  

Abstrak

  Saat ini teknologi wireless banyak digunakan mengingat kemampuannya dalam mendistribusikan dan menyebarkan data secara nirkabel. Teknologi wireless ini biasanya diterapkan untuk memonitor lingkungan dengan pada jangka yang panjang serta memiliki kapasitas energi yang terbatas. Konsumsi energi pada teknologi wireless menjadi hal penting yang harus diperhatikan karena kelangkaan energi akan cepat terjadi bila tidak ada tindakan penghematan energi. Penelitian ini akan membuat sebuah manajemen state prosesor pada teknologi wireless sensor node yang diterapkan pada Arduino Pro Mini dan nRF24L01+ untuk mengurangi penggunaan energi, sehingga penggunaan energi lebih hemat dan mengurangi pergantian baterai secara berkala. Pembuatan wireless sensor node yang hemat energi ini menggunakan arsitektur standar pada sebuah wireless sensor node yaitu menggunakan Arduino Pro Mini sebagai prosesor untuk akuisisi data sensor, pengiriman data serta mengatur konsumsi energi pada wireless sensor node. Untuk modul transmit data menggunakan nRF24L01+ karena membutuhkan konsumsi energi yang rendah untuk transmit data. Pada penelitian ini hemat energi dilakukan dengan merubah state pada prosesor pada Arduino Pro Mini, nRF24L01+, dan keduanya sekaligus serta dengan penggunaan PA Level sehingga konsumsi energi pada wireless sensor node akan lebih rendah. Hasil pada pengujian penelitian ini menunjukkan bahwa efisiensi daya yang paling tinggi yaitu 87,66% dengan menggunakan kondisi PA LEVEL MIN dan low power terhadap Arduino Pro Mini dan nRF24L01+.

  Kata kunci: NRF, Energy Saving, Low Power, PA Level.

  

Abstract

Currently, wireless technology is widely used given its ability in. Wireless technology is usually applied

to monitor the environment with a long and has limited energy capacity. Consumption of energy in

wireless technology becomes an important thing that must be considered because of the scarcity of

energy will be higher if there is no action on energy savings. This research will create a management

system on the wireless sensor node processor that is applied to Arduino Pro Mini and nRF24L01 + to

reduce energy usage, so that energy usage is more efficient and reduces battery change periodically.

  

The creation of this energy-efficient wireless node utilizes the standard architecture of a wireless sensor

node by using the Arduino Pro Mini as a processor for data sensor acquisition, data transmission and

energy regulation on wireless sensor nodes. For modules transmit data using nRF24L01 + because it

requires low energy consumption to transmit data. In this study energy saving is done by changing the

state of the processor on Arduino Pro Mini, nRF24L01 +, and both at once with the use of PA Level so

that energy consumption in wireless sensor node will be lower. The results of this experiment showed

the highest power of 87.66% using PA LEVEL and low power conditions against Arduino Pro Mini and

nRF24L01 +.

  Keywords: NRF, Energy Saving, Low Power, PA Level

  kemampuannya dalam mendistribusikan dan 1.

   PENDAHULUAN menyebarkan data secara nirkabel atau tanpa

  menggunakan kabel. Banyak ketertarikan baik Teknologi nirkabel merupakan teknologi dalam produk komersiil maupun riset dalam yang sangat popular di masa kini dikarenakan dunia pendidikan karena keunggulannya yang

  Fakultas Ilmu Komputer Universitas Brawijaya

3843 mudah dikembangkan, efisien, dan lebih murah dari teknologi dengan menggunakan kabel atau wired mengingat membutuhkan biaya yang sangat mahal untuk penyebaran dari infrastruktur kabel. Kumpulan dari beberapa wireless sensor jika masing-masing diletakkan secara special dan diatur konfigurasinya, dapat disebut dengan WSN (Wireless Sensor Network). WSN merupakan jaringan nirkabel yang menggunakan sensor untuk memonitor fisik atau kondisi lingkungan sekitar, seperti tekanan, gerakan, getaran, suara, suhu, gelombang elektromagnetik, dan lain-lain. Banyak bidang yang dapat diimplementasikan menggunakan teknologi nirkabel ini, beberapa contohnya adalah bidang kesehatan, social, kehutanan, keamanan, dan berbagai aktivitas sehari-hari. Teknologi nirkabel ini juga sangat bergantung dengan sumber daya listrik, namun semakin banyaknya penggunaan teknologi ini menyebabkkan pemborosan sumber daya listrik.

  Menurut keterangan yang disampaikan oleh Direktorat jendral Energi Baru, Terbarukan dan Konservasi Energi Kementerian Energi pada forum National Energi Efficiency Conference, Indeks elastisitas energi Indonesia hingga saat ini mencapai 1,63, lebih tinggi dibandingkan Thailand dan Singapura yang masing-masing mencapai 1,4 dan 1,1. Bahkan indeks elastisitas energi negara-negara maju berkisar antara 0,1 hingga 0,6. Indeks elastisitas adalah perbandingan laju pertumbuhan konsumsi energi dibanding laju pertumbuhan ekonomi. Untuk meningkatkan elastisitas energi selain mendorong pertumbuhan ekonomi, Indonesia juga harus mengurangi pertumbuhan konsumsi energi. (Tempo, 2012)

  Berbeda dengan penyebaran infrastruktur jaringan kabel, umumnya peletakkan node WSN dilengkapi dengan radio transceiver atau alat komunikasi wireless lainnya, mikro-kontroler, dan sumber energi yang biasanya menggunakan baterai dan tersebar banyak pada lingkungan yang sulit dijangkau sehingga akan menghabiskan biaya banyak untuk mengganti sumber energinya. Aplikasi serta penggunaan WSN ada banyak dan bervariasi, umumnya adalah untuk memonitoring, tracking dan controlling. Sebagai contoh adalah untuk melakukan pemantauan terhadap suhu dan kelembapan secara teratur yang akan memerlukan energy yang semakin besar sehingga sumber daya atau baterai akan cepat habis. Salah satu yang mempengaruhi konsumsi daya adalah pemrosesan yang terlalu berlebih sehingga daya akan cepat habis. Oleh karena itu penting untuk melakukan penghematan daya yang dapat dilakukan baik dalam desain hardware maupun software (Tiffen Rault, dkk. 2014). Ada beberapa studi yang meneliti berbagai teknik penghematan energi tetapi banyak memfokuskan penelitian secara satu teknik saja seperti menjadwalkan waktu kirim data atau jalur untuk mengirim data sedangkan pada penelitian ini adalah mengubah state pada prosesor, state dan power amplifier pada nRF24L01+ sehingga konsumsi arus akan lebih rendah.

  Pada sebuah node WSN umumnya terdiri dari beberapa unit yaitu sensing unit, processing

  unit, transceiver

  dan power unit. Unit tersebut merupakan bagian inti dari sebuah node WSN dan dapat ditambahkan unit-unit lain seperti

  Location finding system atau sebuah aktuator yang dapat diilustrasikan seperti p

  Bagian utama dari wireless sensor node terdiri dari sebuah sensing unit, processing unit,

  transceiver dan power unit. Bagaimana

  menggabungkan masing-masing unit tersebut adalah hal yang harus diperhatikan ketika kita melakukan perancangan sebuah wireless sensor

  node . Pada processing unit merupakan bagian

  sistem yang penting pada wireless sensor node karena dapat mempengaruhi performa ataupun konsumsi energi.

  Gambar 1 Struktur standar wileress sensor node

  Sumber:(Waltenegus Dargie dan Christian Poellabauer,2011)

  2. PERANCANGAN DAN

  IMPLEMENTASI 2.1. Perancangan Sistem

  Pada tahap perancangan akan menjelaskan perancangan sistem wireless sensor node dengan diagram blok yang di tunjukan pada Gambar 2.

  _{Potensiometer Input Arduino Pro Mini Baterai} Proses Output _{Nilai Potensiometer} NRF24L01+PA+LNA _{wireless Serial Monitor} NRF24L01+PA+LNA _{Arduino Pro Mini} Gambar 3 Rangkaian Pada Transmitter

  Keterangan pin transmitter ditunjukkan pada Tabel 1 di bawah ini :

  Gambar 2 Diagram Blok Sistem Tabel 1 Keterangan Pin Transmitter

  Berdasarkan Gambar 2 perancangan sistem menjelaskan terdapat tiga bagian berupa input,

  Pin Modul Pin Pin Poten Pin

  proses, dan output. Pada input hanya berupa

  nRF24L01 Regulator Kapasitor siome Arduino

  penggambilan data potensiometer. Pada proses

  LM117 10uF ter Pro Mini +

  terdapat dua node, tiap node terdiri dari dari

• MOSI

  11

• CSN

  7

  kontoller Arduino pro mini dan wireless modul

• 8 - - CE

  nRF24L01+. Node pertama berfungsi sebagai

• SCK - 13 -

  Transmitter yang di lengkapi dengan

  MISO - 12 - -

  potensiometer, sedangkan node kedua berfungsi

  Vout - - - A0

  sebagai recevier yang di sambungkan pada PC /

  VCC Vin - -

  5V

  komputer. Kedua node tersebut akan

GND GND GND GND GND

  mengirimkan data secara nirkabel. Pada bagian

  Vin

  VCC - - -

  output berupa data nilai potensiometer yang

  VCC Vout -

  VCC - ditampilkan dengan serial monitor.

  Pada perancangan perangkat lunak pada 2.2.

   Perancangan sensor node transmitter

  Receiver yaitu pemrograman Bahasa C/C++ pada mikrokontroler menggunakan Arduino Perancangan perangkat keras pada node

  IDE. Penjelasan algoritma pada Receiver sesuai transmitter terdiri dari rangkaian Mikrokontroler dengan diagram alir pada Gambar 4. Arduino Pro Mini, potensiometer, modul wireless nRF24L01+, dan rangkaian penurun tegangan dengan IC LM1117T. Dikarenakan nRF24L01+ membutuhkan tegangan yang stabil sebesar

  3.3V, maka perlu ditambahkan rangkaian penurun tegangan agar sistem berjalan dengan normal dan nRF24L01+ tidak terbakar. Node menggunakan baterai berkapasitas 9V sebagai catu daya dimana daya tersebut nantinya akan diturunkan menjadi 3,3V agar sistem dapat berjalan dengan baik karena nRF24L01+ akan rusak atau terbakar jika daya yang masuk melebihi 3,6V. Rancangan pada transmitter ditunjukkan pada Gambar 3 berikut.

  Y N Gambar 6 Diagram Alir Algoritma Pada Receiver

  13 MISO - -

  source not found.. _Mulai Data diterima ^{Menunggu data diterima Konfigurasi alamat node Konfigurasi channel node Network.update()} Tampilkan data di ^{Apakah nilai potensio < 300} _{serial monitor Sleep 4 detik Selesai} ^{Import library}

  IDE. Penjelasan algoritma pada Receiver sesuai dengan diagram alir pada Error! Reference

  pada mikrokontroler menggunakan Arduino

  Receiver yaitu pemrograman Bahasa C/C++

  Pada perancangan perangkat lunak pada

  VCC -

  VCC Vout

  VCC

  5V GND GND GND GND

  12 VCC - -

  8 SCK - -

  Mulai Pengiriman Data Sensor ^{Konfigurasi alamat node Konfigurasi channel node Pembacaan nilai potensiometer Network.update()}

  7 CE - -

  11 CSN - -

  Arduino Pro Mini MOSI - -

  Regulator LM117 Pin Kapasitor 10uF Pin

  Tabel 2 Keterangan Pin Receiver Pin Modul nRF24L01+ Pin

  Keterangan pin transmitter ditunjukkan pada Tabel 2 di bawah ini :

• Vin -

  Pada Gambar 5 menjelaskan tentang skematik diagram node receiver. Skematik diatas hampir sama dengan sensor node pengirim hanya saja terdapat perbedaan pada potensiometer yang tidak dimiliki node receiver.

   Perancangan sensor node receiver Gambar 5 Rangkaian pada Receiver

  Gambar 4 Diagram Alir Algoritma pada Transmitter 2.3.

  Selesai ^{Import library Apakah nilai potensiometer >300 Low Power State Wake Up setelah 4 detik} Y N

  2.4. Implementasi pada node transmitter

  Implementasi pada node transmitter ini di lakukan sesuai dengan perancangan yang sudah dilakukan sebselumnya. Sesuai dari hasil perancangan pada node Transmitter ini terdiri dari rangkaian sensor dengan mikrokontroler serta modul wireless dan potensiometer yang ditunjukkan pada

  Gambar 8 Implementasi perangkat keras node Receiver

  Untuk mengimplementasikan algoritma dari node Receiver perlu dilakukan implementasi perangkat lunak menggunakan arduino IDE dengan bahasa pemrograman C/C++.

  3. PENGUJIAN 3.1. Pengujian pengiriman data dengan dan tanpa low power pada node Transmitter pada Arduino Pro Mini, nRF24L01+, Gambar 7 Implementasi perangkat keras Transmitter serta Arduino Pro Mini dan nRF24L01+

  Untuk mengimplementasikan algoritma

  3.1.1 Tujuan

  dari node Receiver perlu dilakukan implementasi perangkat lunak menggunakan Tujuan dari pengujian ini adalah untuk arduino IDE dengan bahasa pemrograman mengetahui besaran arus yang dibutuhkan C/C++. oleh node Transmitter untuk mengirimkan data tanpa menggunakan Low Power dan

  2.5. Implementasi pada node receiver dengan pengkondisian PA Level

  menggunakan Low Power terhadap Arduino Implementasi perangkat keras pada sensor

  Pro Mini saja, nRF24L01+ saja, serta node penerima disesuaikan dengan perancangan keduanya yaitu Arduino Pro Mini + yang sebeunya sudah dibuat. Pada sensorn node nRF24L01+. penerima perangkatnya hanya menggunakan Arduino Pro Mini sebagai mikrokontroller

  3.1.2 Peralatan

  NRF24L01 sebagai komunikasi wireless dan FTDI modul untuk menampilkan data ke laptop

  1. Node Transmitter atau komputer melalui serial monitor. Perangkat

  2. Node Receiver keras pada sensor penerima lebih sedikit dari

  3. Kaber USB FTDI pada pengirim dikarenakan fungsinya hanya

  4. Laptop menerima dan menampilkan data saja.

  5. Arduino IDE Implementasi perangkat keras pada sensor node

  6. Multimeter penerima ditunjukan pada

  3.1.3 Langkah Pengujian

  1. Menghubungkan kabel usb FTDI dengan node receiver dan transmitter

  2. Membuka arduino IDE

  Program telah berhasil di-upload pada Arduino Pro Mini sehingga program tersenut dapat dijalankan. Dari hasil pengujian besaran arus, didapatkan perbedaan arus yang signifikan dimana pada saat Transmitter tanpa menggunakan low power dan dengan pengkondisian PA Level serta dengan menggunakan low power.

  3. Upload program pada menu upload ke node receiver dan transmitter

  2. Membuka arduino IDE

  1. Menghubungkan kabel usb FTDI dengan node receiver dan transmitter

  3.2.3 Langkah Pengujian

  6. Arduino IDE

  5. Laptop

  4. Multimeter

  3. Kaber USB FTDI

  2. Receiver

  1. Transmitter

  3.2.2 Peralatan

  Untuk mengetahui performa data dan range pengiriman data.

  3.2.1 Tujuan

  3.2. Pengujian performa pengiriman data dan efisiensi daya

  3.1.5 Analisis

  3. Upload program pada menu upload ke node receiver dan transmitter

  20,9mA

  Arduino Pro Mini 157mA nRf24L01+ 35,2mA Arduino Pro Mini dan nRF24L01+

  Tabel 4 Hasil pengujian node Transmitter menggunakan low power Low Power Terhadap Arus

  down. yang dapat dilihat pada Error! Reference source not found. dibawah ini.

  NRF24L01+ berada dalam kondisi mati atau

  Power , besarnya arus akan sama meskipun PA LEVEL diatur berbeda dikarenakan modul

  Hasil dari pengujian besaran arus yang dibutuhkan oleh node Transmitter dengan Low

  MIN 166,2mA LOW 167,8mA HIGH 168,5mA MAX 169,3mA

  Tabel 3 Hasil pengujian node Transmitter tanpa low power PA LEVEL Arus

  Power dengan PA LEVEL dapat dilihat pada bawah ini.

  Hasil dari pengujian besaran arus yang dibutuhkan oleh node Transmitter tanpa Low

  5. Menggamati data yang ada pada serial monitor.

  4. Menunggu data selesai di upload yang ditandai dengan “done uploading”.’

  Gambar 9 Upload Program

3.1.4 Hasil

  Hasil pengujian efisiensi daya saat menggunakan low power mode pada nRF24L01+. Hasil pengujian selengkapnya

   Tabel 7 Efisiensi Daya pada nRF24L01+

  PA LEVEL Efisiensi MIN 78,82% LOW 79,03%

  HIGH 79,11% MAX 79,21%

  Hasil pengujian efisiensi daya saat menggunakan low power mode pada Arduino Pro Mini dan nRF24L01+ sekaligus. Hasil pengujian selengkapnya ditunjukan pa

  Tabel 8 Efisiensi Daya pada Arduino Pro Mini dan Gambar 10 Upload Program nRF24L01+

  4. Menunggu data selesai di upload yang PA LEVEL Efisiensi

  MIN 87,42% ditandai dengan “done uploading”. LOW 87,55%

  5. Melakukan percobaan dengan melakukan

  HIGH 87,6%

  pengiriman data dan menghitung besarnya

  MAX 87,66% efisiensi daya.

  3.2.4 Analisis

3.2.4 Hasil

  Dari hasil pengujian pengiriman data Berikut adalah hasil pengujian performa pada jarak tertentu keberhasilan pengirimannya waktu data dengan jarak. Hasil pengujian data adalah sebesar 81% dan efisiensi daya selengkapnya ditunjukan pa paling rendah mencapai 87,66 saat menerapkan

  Tabel 5 Hasil Pengamatan Pengiriman Data

  low power mode pada Arduino Pro Mini dan nRF24L01+ sekaligus dengan PA Level MAX.

  Percobaan Jarak Data Data Prosentase Pengiriman (Meter) Dikirim Diterima Keberhasilan

  4. KESIMPULAN Data Percobaan

  5

  20 20 100% 4.1.

   Kesimpulan

1 Percobaan

  10

  20 20 100% Berdasarkan hasil dari perancangan sitem,

  2

  implementasi sistem, pengujian sistem, dan juga

  Percobaan

  15

  20 20 100%

  analisis sistem ini, dapat diambil beberapa

  3

  kesimpulan antara lain sebagai berikut :

  Percobaan

  20

  20 20 100%

  1. Pada penelitian ini telah dibuat

  4

  desain manajemen state prosessor

  Percobaan

  25

  20 4 5%

  yang diaplikasikan pada studi kasus

  5

  implementasi wireless sensor node Hasil pengujian efisiensi daya saat sehingga dapat mengurangi menggunakan low power mode pada Arduino penggunaan energi pada wireless Pro Mini. Hasil pengujian selengkapnya sensor node. ditunjukan pada

  2. Pada penelitian ini perubahan state

  Tabel 6 Efisiensi Daya Pada Arduino Pro Mini

  prossesor bisa dilakukan secara software dengan pemrograman

  PA LEVEL Efisiensi

  Arduino IDE dengan menggunakan

  MIN 5,5%

  library powerDown sehingga

  LOW 6,44%

  merubah state prossesor

  HIGH 6,83%

  nRF24L01+ pada mode

  MAX 7,27%

  Qinhua Wang, dkk. 2011. “Wlreless Sensor Networks

  Firdaus, 2014, "wireless Sensor Network", graha llmu, source:http://grahailmu.co.ld/previewpd f/978-602-262-189-8-1246.pdf

  3. Perubahan state prossesor bisa dilakukan secara sekaligus dengan menggabungkan Arduino Pro Mini dalam kondisi low power dan nRF24L01+ dalam kondisi power down sehingga memungkinkan node transmitter mengkonsumsi energi serendah mungkin untuk bekerja.

  powerDown dan menggunakan library low power untuk merubah state prosesor Arduino Pro Mini sehingga memungkinkan nRF24L01+ maupun Arduino Pro Mini mengkonsumsi energi serendah mungkin untuk bekerja.

• – An Introductlon”, http://www.intechopen.com/download/ get/type/pdfs/id/1 2464

  ASA, Nordic Semiconductor, nRF24L01 Product Specification V2.0. <http://www.nordicsemi.com/eng/nordi c/download_resource/8041/1/62435711 > [diakses tanggal 28 Oktober 2017]. Deny Syafril.2013. Penghematan Daya Pada

  Sensor Node Menggunakan Metode Pengaturan Waktu Kirim Data. Tersedia di : https://journal.pcr.ac.id/ paper/PenghematanDayaPadaSensorNo deMenggunakanMetodePengaturanWa ktuKirimData.pdf [Diakses 5 Oktober 2017].

  Arduino, 2015. Arduino Pro Mini. Tersedia di : <http:// arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardPro Mini> [Diakses 23 Oktober 2017].

  4. Dari pengujian pengiriman data, didapatkan hasil yang sangat baik pada percobaan pengiriman data. Dengan jarak mencapai 25 meter sebesar 81% data dapat diterima oleh node Receiver serta efisiensi daya yang paling rendah yaitu 87,66% dengan menggunakan kondisi PA LEVEL MIN dan low power terhadap Arduino Pro Mini dan nRF24L01+.

  Sandra Sendra dkk.2011. Power saving and energy optimization techniques for Wireless Sensor Networks. Tersedia di : www.jocm.us/uploadfile /2013/0412/20130412025841137.pdf [Diakses 6 Oktober 2017]

  Sparkfun, 2015. nRF24L01+Slngle Chlp

  2.4GHz Trancelver, https://www.sparkfun.com/datasheets/C omponents/SMD/nRF24L01Pluss _Prellmlnary_Product_Speclflcatlon_v 1_0.pdf dlakses pada tanggal

  6 September 2017 Texas Instruments, 2016. LM1117 800-mA Low-Dropout Linear Regulator.

  Tersedia di : www.ti.com/lit/ds/symlink/lm1117.pdf [Diakses Oktober 2017]. Tempo, Indonesia masih boros energi. Tersedia di : https://bisnis.tempo.co/read/news/2012/ 06/11/092409853/indonesia-masih- boros-energi [Diakses 17 Desember 2017]

5. DAFTAR PUSTAKA

  Vana Jeliˇci´c. 2011. Power Management in Wireless Sensor Networks With High- Consuming Sensors. Tersedia di : https://www.fer.unizg.hr/ _download/repository/VJelicic,KDI.pdf [Diakses Desember 2017].

  Waltenegus Dargle dan Chrlstlan Poellabauer.2011. Fundamentals Of Wlreless Sensor Networks, hal.207-224.