Implementasi Timing - Sync Untuk Sensor Networks Pada Jaringan Sensor Multihop
Vol. 1, No. 10, Oktober 2017, hlm. 1142-1151 http://j-ptiik.ub.ac.id
Implementasi Timing - Sync Untuk Sensor Networks
Pada Jaringan Sensor Multihop
1 2 Budiman Eka Atmaja Timur , Sabriansyah Rizqika Akbar , Mochammad Hannats Hanafi 3 IchsanProgram Studi Teknik Informatika, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya 1 2 3 Email: [email protected], [email protected], [email protected]
Abstrak
Perkembangan Sensor Jaringan Wireless (WSN) sangat cepat, terutama untuk kehidupan manusia.Aplikasi WSN umumnya digunakan untuk kebutuhan pemantauan, pelacakan dan pengontrolan. Dalam beberapa aplikasi, WSN menggunakan banyak sensor dikerahkan secara acak di daerah tertentu untuk mendapatkan informasi yang luas. Namun, WSN juga memiliki kekurangan yang harus diselesaikan, yaitu permasalahan interferensi pada pengiriman data jika beberapa node WSN mengirim data secara bersamaan dengan menggunakan frekuensi yang sama maka tabrakan data akan terjadi. Salah satu metode untuk menyelesaikannya adalah menggunakan metode TDMA. Time Division Multiple Access (TDMA) adalah metode akses channel untuk jaringan bersama. Hal ini memungkinkan beberapa pengguna untuk berbagi kanal frekuensi yang sama dengan membagi sinyal dalam slot waktu yang berbeda. TDMA bekerja dengan membuat banyak node untuk dapat mengirimkan data secara bergantian, demi menghindari adanya interferensi pada pengiriman data. Dalam menerapkan metode TDMA, jam lokal dari seluruh node WSN harus melakukan sinkronisasi, tetapi ada masalah yang signifikan dalam sinkronisasi nirkabel, karena delay propagasi terlalu panjang, bahkan di area yang kecil. Karena masalah ini, tujuan penelitian ini adalah untuk menerapkan salah satu yang terbaik algoritma sinkronisasi waktu disebut Time-sync Protocol di Sensor Network (TPSN) untuk mendukung metode TDMA. Setelah dilaksanakan, ada beberapa masalah yang terjadi sebagai node tidak bisa lewat TDMA ke node lain, tidak dapat diandalkan, bekerja hanya beberapa node, dan skala kecil. Karena masalah ini, pengembang ingin menambahkan beberapa fitur apa yang bisa menutupi kekurangan ini dengan library rf24 arduino. Sistem ini telah diuji, dan Hasil penelitian menunjukkan hasil yang bagus dan lebih flexsibel untuk multi jaringan. Hasilnya menunjukkan kemampuan untuk mengirim pesan dengan melewati node lain dengan jadwal yang telah ditentukan.
Kata kunci: Time Synchronization, TPSN, TDMA, node WSN, interferensi, time slot
Abstract
Development of Wireless Sensor Network (WSN) has been growing rapidly, especially for human life.
WSN applications are generally used for the needs of monitoring, tracking and controling. In some
applications, WSN uses many sensors are deployed randomly in a particular area in order to obtain
extensive information. However, WSN still have some issues that need to be solved, such as interference
in data transmission if there are many WSN nodes send data at the same time and using the same
frequency channel, the data collision will occur. One of many solutions to solve this issue is Time
Division Multiple Acces (TDMA) method. Time division multiple access (TDMA) is a channel access
method for shared medium networks. It allows several users to share the same frequency channel by
dividing the signal into different time slots. TDMA made those WSN nodes to send their own data
sequentiallly, so the nodes will send the data at a different time according to the slot time they have got
before. In order to apply the TDMA method, the local clock of the entire WSN nodes must be synchronize,
but there are significant issues in wireless synchronization, because the propagation delay is too long,
event the small area. The aim of this research is to apply one of the best time synchronization algorithm
called Time-sync Protocol in Sensor Network (TPSN) to support the TDMA method. After implemented,
there are some problems that occur as the node can not pass TDMA to another node, unreliable, work
only few nodes, and small scale. Due to this issue, the developer wants to add some features what can
cover up this weakness using library rf24 arduino.. The system was tested, and The results showed good
Fakultas Ilmu Komputer Universitas Brawijaya
1142
result with more flexible for multiple network. The results show the ability to send messages by going
through other nodes with a predetermined schedule.Keywords: Time Synchronization, TPSN, TDMA, WSN node, interference, time slot 1.
PENDAHULUAN
Perkembangan Wireless Sensor Network hampir diseluruh dunia mengalami perkembangan yang cukup pesat meliputi berbagai jenis dan spesifikasi dalam beberapa tahun terakhir ini. Penelitian tentang jaringan wireless banyak melakukan pengembangan WSN dari berbagai aspek, karena masih banyak keterbatasan pada jaringan Wireless (tanpa kabel) jika dibandingkan dengan wired (dengan kabel). Misalnya pengembangan sisi protokol akses yang meliputi Time Division Multiple Access (TDMA) yang membutuhkan metode sinkronisasi untuk komunikasinya.
Protokol TDMA sendiri akan membuat banyak node untuk dapat saling berhubungan dengan cara mengirimkan data antar node secara bergantian sesuai dengan jadwal pengiriman, untuk menghindari adanya tabrakan data atau interferensi data dari node lain. Dengan menggunakan protokol TDMA, modul perangkat WSN berkemungkinan untuk meningkatkan jumlah data yang dapat dikirimkan secara wireless dalam sebuah spektrum frekuensi yang sama (Sohraby & Minoli & Znati, 2007). Untuk dapat melakukan TDMA, terlebih dahulu Time Synchronization telah dilakukan untuk menyamakan clock waktu lokal dari semua perangkat WSN yang diletakkan secara terpisah.
Time Synchronization merupakan sebagai kunci dari berbagai aplikasi yang sering dipakai pada sistem komputasi distribusi. Namun banyak keterbatasan yang dimiliki oleh jaringan nirkabel sehingga lebih membutuhkan pengembangan daripada jaringan kabel atau jaringan wired. Berdasarkan berbagai aplikasi yang telah diterapkan dalam WSN, peningkatan presisi waktu beberapa milidetik dapat meningkatkan performa aplikasi tersebut secara signifikan (Simon et al, 2004). Tetapi untuk beberapa modul perangkat WSN seperti NRF24L01, tidak memiliki fungsi atau fitur otomatis dalam hal Time Synchronization tersebut. Oleh karena itu perlu dilakukan pembuatan secara manual kode program yang bisa mengatur mekanisme Time
Synchronization dalam TDMA WSN seperti yang telah dijelaskan.
Pembahasan penelitian tentang Time Synchronization sendiri telah banyak diuji dan dipublikasikan. Salah satunya adalah penelitian yang berjudul Post Facto Synchronization oleh Elson dan Etrin,, yang pada pendekatannya tersebut bahwa setiap clock node secara keseluruhan belum tersinkron, kemudian sebuah node yang berperan sebagai beacon secara periodik mengirimkan broadcast pesan kepada seluruh node sensor yang tercakup dalam jangkauan broadcast tersebut. Ketika node mendeteksi sebuah even, tiap node akan melakukan record terhadap waktu even tersebut dan membandingkannya dengan waktu lokal yang dimiliki setiap node. Algoritma bernama Reference Broadcast Synchronization atau RBS (Elson, 2002). Algoritma tersebut dijalankan dengan model topologi jaringan star dengan node beacon (node root) menjadi pusat dari topologi tersebut.
Kemudian node beacon/node root akan melakukan pengiriman waktu even dalam satuan waktu tertentu secara periodik kepada node yang dapat dijangkau. Kemudian setelah semua node menerima waktu even dari node beacon, maka dilakukan perhitungan untuk mengurangi jumlah delay untuk menambah ketepatannya, kemudian semua node yang telah penerima akan saling mencocokkan waktu even satu sama lain. Kelemahan dari algoritma adalah jika dilakukan pada jaringan WSN yang lebih luas atau dalam skala yang lebih besar, ada sebagian node yang tidak dapat melakukan pencocokan waktu karena keterbatasan node beacon yang tidak dapat mencangkup seluruh node. Beberapa penelitian terkait juga yang dilakukan oleh Yoon, et al (2010) menggunakan algoritmanya Tiny-Sync, dengan pengembangan algoritma pada RBS dengan tujuan untuk meningkatkan sistem perhitungan akurasi waktu dari pencocokan waktu RBS menjadi lebih akurat. Tetapi belum membahas tentang pengembangan untuk jaringan yang luas atau skala yang lebih besar.
Dalam penelitian sebelumnya tentang “Implementasi Time Synchrpnization Pada WSN Untuk Metode TDMA Menggunakan Algoritma TPSN” masih cenderung berkomunikasi secara singlehop, dan cenderung terbatas pada komunikasi yang melibatkan cangkupan yang luas. Untuk mengatasi area jangkauan tersebut, jaringan nirkabel dapat menggunakan sistem komunikasi multihop. Dengan sistem multihop node akan mengirimkan informasi ke pusat kendali melalui node lain yang berada didekatnya. TPSN sendiri Berdasarkan pemaparan diatas, penulis ingin melanjutkan penelitian WSN dengan menggunakan algoritma TPSN untuk skala yang lebih besar dengan menggunakan topologi tree. Modul WSN NRF24L01 yang akan dipakai dalam implementasi algoritma TPSN.
2. LANDASAN PUSTAKA
dibandingkan beberapa algoritma lain seperti skala yang lebih besar daripada algoritma RBS (Alson et al, 2001).
2.1. Perhitungan delay seperti ditunjukkan pada Persamaan 2.1. Perhitungan delay akan ditambahkan pada waktu lokal. Timestamp T1,T2,T3, dan T4Hal serupa akan dilakukan
menerima balasan acknowledgment_packet pada T4 dari aliran skenario ini dan melakukan pencocokan waktu dan menghitung delay propagasi seperti diilustrasikan pada Gambar
level 1 akan melakukan perhitungan ketika
akan membalas dengan acknowledgment_packet pada waktu T3, yang berisi nomor hierarki, waktu milik Node Root, T1, T2, dan T3. Node
root terlebih dahulu. Node level 1 akan mengirim synchronization_pulse pada waktu T1 ke node root (level 0), jika root menerima pada waktu T2,
seterusnya. Seluruh node akan mengingat posisinya masing-masing. Sistem ini dilakukan dengan pertama kali aliran data “level_discovery” dari node root diteruskan sampai ke level paling ujung, sehingga semua node masuk ke daftar hierarki tree. Fase kedua adalah fase sinkronisasi, di fase ini, dimulailah sinkronisasi waktu. Semua dimulai dari node
node root . Berlanjut ke node level 1, level 2, dan
Terdapat dua fase pada algoritma TPSN, fase pertama adalah level discovery, fase ini digunakan saat pertama kali seluruh node memilih sebuah node untuk dijadikan sebagai
2.1 Wireless Sensor Network WSN singkatan dari Wireless sensor network (jaringan sensor nirkabel) adalah suatu jaringan nirkabel yang terdiri dari kumpulan node sensor yang tersebar di suatu area tertentu (sensor field); serta sebuah base station, yang merupakan komponen penerima dan pengumpul semua informasi dari semua node untuk kemudian diolah menjadi informasi dan keperluan lainnya. Tiap node sensor memiliki kemampuan untuk mengumpulkan data lingkungan, mengolahnya menjadi data digital, dan berkomunikasi dengan node sensor lainnya menggunakan protokol tertentu.
Komponen suatu node pada WSN ini meliputi sensor, modul wireless atau transceiver, sumber daya, mikrokontroler, serta memori. Seluruh komponen yang dibutuhkan akan membentuk suatu jaringan yang dimana membentuk suatu fungsi sistem monitoring yang mampu bekerjasama mengumpulkan data yang didapat dari lapangan berupa karakteristik dari sensor yang digunakan dengan menggunakan media wireless. Dalam hal ini, karena WSN dapat digunakan untuk berbagai aplikasi maka penggunaan sensor dapat dipilih sesuai kebutuhan sistem.
tersebut. Dengan menggunakan aliran data yang disebut timestamp yang dikirim dari root ke hierarki dibawahnya, waktu disamakan melalui oleh node level 2 kepada node level 1, begitu seterusnya sampai node level i yang paling ujung melakukan hal yang sama kepada node level i-1.
tree , sinkronisasi waktu dimulai dari root
waktu pada WSN, yang menggunakan pemodelan topologi tree. Dimana terdapat sebuah node sebagai root yang berada di pangkal
Networks ) adalah sebuah algoritma sinkronisasi
TPSN (Time-Sync Protocol for Sensor
2.3 TPSN
TDMA atau Time Division Multiple Access adalah teknologi untuk peralatan pengiriman data digital menggunakan teknik multipleksi pembagian waktu. TDMA bekerja dengan membagi frekuensi radio ke dalam slot waktu yang dapat mendukung pemakaian aliran kanal data secara bersama-sama. Transmisi dalam bentuk urutan frame, dimana tiap frame dibagi menjadi beberapa slot waktu, dan tiap slot waktu bersifat dedicated untuk sebuah transmitter tertentu. (Stallings, 2005). Setiap pengirim akan memiliki jadwal pengiriman yang berbeda dengan jadwal pengirim yang lain.
2.2 TDMA
Sistem WSN ini lebih jauh efisien dibandingkan dengan penggunaan kabel. Sistem ini memiliki fungsi untuk berbagai jenis aplikasi yang dimana WSN mampu memenuhi kebutuhan teknologi dalam berbagai bidang ilmu, seperti halnya pada bidang biologi, pertanian, perikanan dan lain sebagainya. (Kazem S,2007).
timestamp tersebut. TPSN memiliki keunggulan
Gambar 2. 1 Mekanisme TPSN
beberapa keunggulan, Nano didesain untuk pengguna yang membutuhkan fleksibilitas, harga terjangkau, dan ukuran yang kecil (Arduino, 2015). Dalam ukurannya yang kecil, tersedia pin 5 Volt dan 3,3 Volt sehingga bisa digunakan untuk menghidupkan peralatan- peralatan yang membutuhkan tegangan pada kedua nilai tersebut. Tampilan Arduino Nano seperti ditunjukkan gambar 2.3
Pada gambar 3.1 ditunjukkan bagaimana perancangan perangkat keras yang digunakan pada tiap - tiap node. Mikrokontroller digunakan sebagai alat untuk pemproses data yang sebelumnya telah dimasukkan program algoritma TPSN dan TDMA. Sumber tegangan mikrokontroler sendiri berasal dari USB yang tersambung dengan laptop. Fungsi lain dari USB itu sendiri sebagai media pengiriman data serial Arduino kemudian tersambung ke transceiver NRF24L01 untuk pengiriman data nirkabel. Disambungkan pula output led sebagai indikator pada arduino.
Kemudian langkah selanjutnya diikuti dengan pemasangan perangkat lunak arduino dan beserta kebutuhan driver arduino tersebut. Setelah itu dimulai peracangan Flowchart pemrograman sistem TPSN.
embedded node , meliputi mikrokontroller Arduino Nano dan modul NRF24L01.
Pada tahap perancangan ini bertujuan untuk memenuhi semua kebutuhan fungsional yang dibutuhkan dalam penelitian ini. Pada tahap perancangan sistem dimulai dari perancangan perangkat keras yang meliputi tentang pembuatan skematik dan penyusunan secara
IMPLEMENTASI
3. PERANCANGAN DAN
IDE untuk membuat program dalam bahasa C dan debugging-nya, meng-upload program ke board Arduino, menambahkan library, dan mengamati aktivitas Arduino Nano menggunakan Serial Monitor.
Arduino IDE adalah Software resmi Arduino yang digunakan untuk pemrograman semua Mikrokontroler Arduino. Dalam penelitian ini, penulis menggunakan Arduino
2.6 Arduino IDE
Gambar 2.3 Arduino Nanonode pada modul WSN, karena memiliki
=
Arduino Nano merupakan board mikrokontroler milik Arduino untuk digunakan dalam pemrograman pada penelitian ini. Arduino Nano cocok untuk digunakan sebagai
2.5 Arduino Nano
Gambar 2.2 Modul wireless NRF24L01antarmuka SPI untuk berkomunikasi. Tegangan dari modul ini adalah 3,3 Volt DC.
and Medical ). Modul ini menggunakan
NRF24L01 adalah sebuah modul komunikasi jarak jauh yang memanfaatkan pita gelombang rf 2.4GHz ISM (Industrial Scientific
2.4 NRF24L01
(2.1)
2
( 2− 1)+(T4− 3)
Pada gambar 3.2, ditunjukkan mekanisme dasar dari algoritma TPSN adalah sebuah topologi tree, dengan sebuah node root sebagai pusat dipangkalnya, yang kemudian tersambung dengan node level 1 kemudian node level 1 menyambung dengan node level 2 kemudian diteruskan ke node-node lain dan membentuk sebuah topologi tree.
Gambar 3. 1 Diagram blok node WSN Gambar 3. 2 Topologi tree dalam TPSN
parent mengirimkan balasannya, node awal
3.3 Perancangan Perangkat Lunak
Komunikasi data wireless yang dikirimkan antar NRF24L01 akan diproses oleh Arduino Nano, kemudian data yang diproses oleh Arduino Nano untuk diolah kemudian data tersebut diteruskan ke notebook/laptop sebagai sistem monitoring komunikasi data antar node.
Gambar 3. 3 Hubungan perangkat keras
Arduino Nano akan dihubungkan dengan notebook/ laptop dengan menggunakan kabel USB untuk monitoring arduino, upload program, sumber daya tegangan, dan komunikasi data. Secara keseluruhan hubungan perangkat keras ditunjukkan seperti gambar 3.3
Dalam perancangan perangkat keras ini akan dijelaskan tentang bagaimana perangkat yang digunakan didalam sistem. Disini peneliti menggunakan Arduino Nano, NRF24L01, dan Laptop dalam penelitiannya. Arduino Nano sebagai mikrokontroler yang akan dihubungkan dengan NRF24L01 dengan sambungan pin.
3.2 Perancangan Perangkat Keras
Pada perancangan sistem merupakan tahap selanjutnya untuk mendapatkan gambaran yang jelas mengenai apa yang dikerjakan oleh peneliti. Perancangan sistem meliputi perancangan perangkat keras yang akan membahas tentang perangkat yang digunakan dan bagaimana dalam hubungannya dan perancangan perangkat lunak yang akan membahas tentang program bahasa C++ yang akan dijalankan dalam Arduino IDE.
3.1 Perancangan Sistem
yang mengirim paket synchronization pada awal tadi akan menerima balasan pada T4, kemudian akan melakukan perhitungan waktu, dan mencocokkan waktu oleh node tersebut.
waktu penerimaan paket dan T3 sebagai waktu pembalasan paket. Setelah node root/node
Mekanisme TPSN bekerja melalui dua tahap fase yang berurutan. Fase pertama adalah fase
synchronization dengan waktu T1 pada node root/node parent . Kamudian node root/node parent akan membalas permintaan paket synchronization dengan rincian T2 sebagai
Fase kedua ditunjukkan pada fase ini, akan dilakukan proses sinkronisasi clock waktu oleh semua node untuk disamakan waktu lokalnya dengan waktu yang dimiliki node Root. Fase sinkronisasi ini sama seperti fase discovery yang memulai prosesnya mulai dari level paling kecil kemudian menjangkau level selanjutnya. Pada prosesnya sebuah node akan mengirim paket
level 1 pada topologi tree tersebut, setelah node tergabung dalam node level 1 maka node tersebut akan mengirimkan paket broadcast yang serupa untuk mencari anggota level berikutnya, sampai semua node tergabung dalam topologi..
discovery, node tersebut akan menjadi anggota
pengiriman paket discovery secara broadcast kepada node terdekatnya. Ketika node terdekatnya menerima paket broadcast
root (level 0) dijalankan akan melakukan
Fase pertama ditunjukkan pada saat node
, yaitu fase dimana node root sebagai pusat melakukan broadcast discovery kepada node disekitarnya untuk menentukan struktur topologi tree yang akan dibentuk, kemudian node yang menjadi child dari node root akan berubah menjadi parent dan bertanggung jawab terhadap node yang bergabung pada level selanjutnya. Sedangkan pada fase kedua adalah fase synchronization, yaitu fase yang dilakukan setelah terbentuknya topologi tree dimana semua node mencocokkan waktu lokal dengan node root/node parent .
discovery
Pada tahap perancangan perangkat lunak pada sistem berisi tentang kode program yang telah di-compile untuk mengetahui program tersebut bisa dijalankan atau tidak dan diupload menggunakan Arduino IDE dari laptop ke Arduino Nano. Dalam penambahan fitur NRF24L01 pada kode program, maka pada program akan ditambahkan library RF24 yang akan mengatur terbuka atau tertutupnya saluran, komunikasi data, pengalamatan ID node, ukuran
PENGUJIAN SISTEM
3. Setelah Node Root berhenti melakukan
9. Waktu tahapan Discovery, Sinkronisasi, TDMA, dan waktu multihop diukur.
8. Setelah waktu berjalan 1 menit, semua node akan mengirimkan Paket TDMA sesuai jadwal/time slot masing-masing.
melakukan hal yang sama seperti parent- nya.
Discovery , menjadi node level 2, menjadi child dari salah satu node level 1, kemudian
7. Calon node level 2 menerima Paket
level 2.
node level 1 melakukan broadcast paket Discovery untuk menemukan calon node
6. Setelah tersinkronisasi dengan Root, maka
membalas, kemudian Node level 1 akan mencocokkan waktu, dan mencatat jadwal TDMA yang juga disertakan bersama balasan dari Node Root.
request sinkronisasi ke Root. Root
5. Node level 1, setelah terjadi timeout pada waktu idle-nya, akan langsung melakukan
4. Node level 1 memasuki kondisi idle, menunggu selama waktu acak yang dihasilkan sendiri.
calon node level 2 baru diaktifkan supaya tidak masuk ke level 1.
broadcast Paket Discovery, maka node
payload, dan kanal frekuensi yang digunakan oleh tiap - tiap node dalam berkomunikasi.
Program yang digunakan terdiri dari dua jenis program, yaitu program root dan program Node. Program root bertugas melakukan broadcast dan akan membuat node yang menerima perintah root akan menjalankan dan melakukan tahapan discovery serta melakukan proses sinkronisasi secara langsung tanpa harus menunggu indikator tertentu. Sedangkan program
Gambar 3.4 Macam-macam Paketnode
membuat
node
yang menjalankannya, harus menunggu hingga dikenali oleh node root atau parent-nya melalui Fase Discovery yang telah dilakukan oleh node
root atau parent-nya dan telah tersinkronisasi
dengan node root, untuk kemudian bisa menjalankan tahapan discovery dan sinkronisasi lagi terhadap node child-nya.
Komunikasi node dengan node lainnya pada masing-masing tahapan atau level menggunakan beberapa paket yang berbeda dalam setiap komunikasinya, paket dikenali melalui “header” yang merupakan data array urutan pertama dari paket tersebut. Angka yan g berawalan “0” untuk paket discovery; angka yang berawalan “1” untuk request paket sinkronisasi dan angka yang berawalan “2” untuk paket sinkronisasi balasan; dan angka yang berawalan “3” sebagai paket TDMA. Sehingga sebuah node dapat melakukan pengolahan data sesuai dengan perintah yang diterima dari header paket yang diterima oleh
2. Calon node level 1 menerima Paket
node . Secara keseluruhan, keempat paket
ditunjukkan oleh gambar 3.4 4.
4.1 Pengujian Fungsional Sistem
Pengujian fungsional digunakan untuk mengetahui bahwa beberapa tahapan sistem dapat berjalan sesuai dengan tujuan, serta untuk menguji tingkat kehandalan sistem yang diuji. Beberapa tahapan dari keseluruhan sistem yang diamati dalam pengujian ini yaitu keberhasilan Fase Discovery, tingkat keberhasilan waktu tunggu acak pada Fase Sinkronisasi, dan keberhasilan pengiriman TDMA juga fungsi multihope, maka diperlukan skenario sebagai berikut: 1.
Node Root (level 0) diaktifkan, kemudian langsung disusul node calon penghuni level
1. Node Root akan melakukan broadcast Paket Discovery selama 7 kali pada 7 detik awal.
Discovery dan menjadi child dari Node Root dan menjadi node level 1.
child dari COM4. Pengujian dilakukan tiga kali,
dan hasilnya dapat dilihat pada table 4.1
Gambar 4.1 Tampilan Tahapan DiscoveryGambar 4.4 Node-node setelah menerima paketdiscovery Tabel 4. 1 Waktu untuk discovery
Waktu Percobaan Kode Level Discovery ke - Node Node (detik)
1 A 1 0,259 B 2 8,572
2 A 1 0,378
Gambar 4.2 Tampilan Tahapan SinkronisasiB 2 7,199
3 A 1 0,710 B 2 18,293
4.5 Pengujian Waktu untuk Proses Sinkronisasi
Setelah proses discovery selesai, proses sinkronisasi baru dijalankan. Tiap - tiap node akan menunggu selama waktu acak yang telah
Gambar 4.3 Tampilan Tahapan TDMA diberikan guna mencegah/ memperkecilkemungkinan terjadinya interferensi dalam
4.2 Pengujian Waktu untuk Proses
pengiriman data pada proses sinkronisasi dengan
Discovery node lain ketika saat melakukan request ke
parent . Saat proses sinkronisasi, tiap - tiap nodePada proses discovery digunakan untuk akan mencocokkan dengan waktu lokalnya memberitahu kepada setiap node child melalui sendiri dengan cara meminta timestamp pada cara broadcast tentang alamat yang nanti akan
parent -nya. Percobaan pertama dapat dilihat
dimintai oleh node child paket sinkronisasi yang pada gambar 4.5 menunjukkan proses dikirim ke parent-nya. Dalam pengujian ini penerimaan paket balasan sinkronisasi dari bertujuan mengetahui proses waktu sebuah node
parent/root . Proses sinkronisasi waktu oleh
untuk dapat masuk ke dalam hierarki, serta kedua node. Proses untuk dilakukan percobaan mengenali alamat parent-nya, dan mencatat itu dilakukan sebanyak tiga kali. Seperti yang levelnya sendiri. Saat pertama kali node aktif ditunjukkan pada tabel 4.2 maka node akan melakukan perhitungan waktu discovery dengan cara melakukan pencetakan waktu saat node menerima paket discovery dari
parent -nya. Paket discovery dibroadcast dari node root kemudian node yang menerima paket discovery tersebut akan berubah menjadi level 1,
kemudian node level 1 akan melakukan discovery pada dan yang menerima paket discovery tersebut akan berubah menjadi level 2.
Gambar 4.5 Node-node setelah mendapatkan paketPada gambar 4.4 memberikan hasil percobaan 1,
balasan sinkronisasi
kedua node telah menerima paket broadcast discovery. Node COM4 menjadi level 1, dan Tabel 4. 2 Waktu untuk sinkronisasi
node COM6 menjadi level 2 yang merupakan Perco Node Lev Waktu awal Waktu awal
baan ke -
13 Sukses
1
2 Sukses
3 A
1
1 Sukses B
2
12 Sukses C
2
Pengujian akurasi waktu Multihop digunakan untuk mengetahui tingkat akurasi sinkronisasi waktu pada pengiriman TDMA dari level 2 dilewatkan level 1 menuju level 0 (root). Waktu akan diukur ketika paket TDMA diterima pada sisi penerima dan akan dibandingkan dengan time slot, dan dengan waktu pengiriman.
1
Pengujian dilakukan menggunakan jarak kurang lebih 3 meter ditiap - tiap node.
Dari tabel 4.4, dapat diambil kesimpulan bahwa semua node berhasil melakukan pengiriman pada time slot yang telah dijadwalkan. Dan dapat melakukan pengiriman fungsi multihop dengan bantuan node yang berada pada level yang lebih kecil dari pengirimnya. Meskipun hasilnya sedikit terlambat dari jadwal beberapa puluh milidetik sampai beberapa ratus milidetik, namun pengiriman TDMA berhasil dilakukan tanpa adanya interferensi.
Tabel 4.4 Pengujian Akurasi WaktuUj i ke Mnt ke- ID Node Level Node Slot Waktu Waktu Kirim (detik) Waktu Terima (detik)
1 1 A B 1 1 1:1:0 1:1:617 A 2 12 1:12:0 1:12:481 1 Multihop 1:12:481 1:12:731 2 A B 1 1 2:1:0 2:1:632 A 2 12 2:12:0 2:12:404 1 Multihop 2:12:404 2:12:669 3 A B 2 1 3:1:0 3:1:647 A 1 12 3:12:0 3:12:537 2 Multihop 3:12:537 3:12:819 4 A B 1 1 4:1:0 4:1:662 A 2 12 4:12:0 4:12:567 1 Multihop 4:12:567 4:12:862 5 A B 1 1 5:1:0 5:1:677 A 2 12 5:12:0 5:12:596 1 Multihop 5:12:596 5:12:906 6 A B 1 1 6:1:0 6:1:692 A 2 12 6:12:0 6:12:624 1 Multihop 6:12:624 6:12:950 7 A 1 1 7:1:0 7:1:707 B A 2 12 7:12:295 7:12:404 1 Multihop 7:12:404 7:12:744 8 A B 1 1 8:1:0 8:1:722 A 2 12 8:12:0 8:12:683 1 Multihop 8:12:683 8:13:38
9 A B 1 1 9:1:0 9:1:736 A 2 12 9:12:0 9:12:713 1 Multihop 9:12:713 9:13:82 10 A B 1 1 10:1:0 10:1:751 2 12 10:12:0 10:12:741 A 1 Multihop 10:12:741 10:13:128
2 1 A B 1 1 1:1:0 1:1:117 A 2 12 1:12:0 1:12:475 1 Multihop 1:12:475 1:12:225 2 A B 1 1 2:1:0 2:1:133 A 2 12 2:12:0 2:12:502 1 Multihop 2:12:502 2:12:267 3 A B 2 1 3:1:295 3:0:744 A 1 12 3:12:0 3:12:530 2 Multihop 3:12:530 3:12:310
4 A 1 1 4:1:0 4:1:162
1 Sukses B
2 A
ID el Nod e node aktif (detik) percobaan (detik)
3 node, susunan node: 1 Node Root, 1 node level 1, 1 node level 2.
1 A 1 24,648 28,329 B 2 45,377 53,506
2 A 1 16,033 17,107 B 2 28,650 37,530
3 A 1 24,223 26,546 B 2 28,703 38,633
4.6 Pengujian Fleksibilitas Topologi Jaringan
Pengujian fleksibilitas digunakan untuk menguji apakah program yang dibuat, tetap dapat digunakan jika struktur topologi jaringan diubah. Pengujian menggunakan 4/3 node dengan anggota tiap level berbeda dalam tiap skenario.
Bentuk pengujian fleksibilitas topologi menggunakan tiga skenario yang ditentukan oleh peneliti, yang masing-masing berbeda struktur
node yang masuk kedalam hierarkinya. Skenario tersebut disusun sebagai berikut.
1.
2.
12 Sukses
3 node, susunan node: 1 Node Root, 2 node level 1.
3.
4 node, susunan node: 1 Node Root, 1 node level 1, 2 node level 2. Kemudian hasil pengujian ketiga skenario ditunjukkan pada tabel 4.3. dari tabel 4.3, dapat diketahui bahwa ketiga skenario pengujian berhasil membuktikan bahwa sistem yang dibuat fleksibel terhadap berbagai topologi yang diberikan.
Tabel 4. 3 Fleksibilitas Topologi Pengujian ke - Node
ID Level Node Slot Waktu Penerimaan TDMA Node Root
1 A
1
1 Sukses B
2
4.7 Pengujian Akurasi Waktu Multihop
B 2 12 4:12:0 4:12:558
Dihitung mulai dari awal percobaan: A 1 Multihop 4:12:558 4:12:354 - 5 A 1 1 5:1:0 5:1:178 53,506 + 37,530 + 38, 633) /3 = 43,223 A B 1 Multihop 5:12:585 5:12:396 2 12 5:12:0 5:12:585 detik 6 A 1 1 6:1:0 6:1:193 Hasil pengujian yang telah diperoleh ini, B 2 12 6:12:0 6:12:612 memberikan hasil analisis bahwa semua A 1 Multihop 6:12:612 6:12:439 peralatan dapat bekerja dengan baik, dan sistem 7 A 1 1 7:1:0 7:1:209 dapat berjalan sesuai dengan yang diharapkan B 2 12 7:12:0 7:12:640 mulai dari awal hingga akhir bahkan ketika A 1 Multihop 7:12:640 7:12:482 struktur diubah. Dalam proses discovery 8 A 1 1 8:1:0 8:1:240 didapatkan hasil sebuah hierarki tree dari hasil B 2 12 8:12:0 8:12:561 pengalamatan pada suatu node yang telah dicatat A 1 Multihop 8:12:561 8:12:541 oleh child -nya, serta dapat melakukan 9 A 1 1 9:1:0 9:1:239 penomoran sesuai dengan level urut mulai dari B 2 12 9:12:0 9:12:696 root hingga level yang paling bawah. A 1 Multihop 9:12:696 9:12:568 Hasil dari pengujian fleksibilitas program, 10 A A B 1 1 Multihop 10:12:723 10:12:613 beroperasi secara fleksibel dan program tidak 2 12 10:12:0 10:12:723 program TPSN pada percobaan tersebut dapat 1 10:1:0 10:1:254 didapatkan hasil yang menunjukan bukti bahwa ada masalah dalam melakukan proses sinkronisasi dan pengiriman TDMA. Program
4.8 Analisis
masih bisa digunakan selama ketersediaan time Dari pengujian yang telah dilakukan,
slot masih ada. Dalam pengaturannya node level
didapatkan hasil analisis bahwa seluruh 1 mendapatkan time slot mulai dari angka 1 komponen dapat berjalan dengan baik. Node ditambah 1. Sedangkan time slot node pada level WSN dapat berkomunikasi dengan laptop baik 2 akan mendapatkan dari jadwal yang sudah untuk keperluan upload program, maupun untuk ditentukan mulai dari time slot yang dia miliki keperluan monitoring. Setelah pengujian ditambah 10, dan berkelipatan 1. pengukuran waktu dilakukan dan didapatkan
Untuk beberapa kasus seperti pengujian hasilnya, maka dilakukan analisis bahwa rata- pada Tabel 4.4, dapat diambil kesimpulan bahwa rata waktu dari tiga pengujian proses Discovery semua node berhasil mengirim pada time slot sesuai perhitungan sebagai berikut. yang telah dijadwalkan dan berhasil melakukan 1. Waktu rata - rata pembentukan node pada multihop dari level 2 menuju level 1 kemudian level 1: diteruskan ke root. Meskipun setelah dikurangi
(0,259 + 0,378 + 0,710)/3 = 0,449 detik
delay propagasi, dan hasilnya sedikit terlambat 2. Waktu rata-rata waktu pembentukan node dari jadwal beberapa puluh milidetik bahkan pada level 2: sampai beberapa ratus milidetik untuk jarak
(8,572 + 7,199 + 18,293)/3 = 11,355 detik
diameter kurang lebih 2 meter, namun pengiriman TDMA berhasil dilakukan tanpa Hasil dari pengujian proses sinkronisasi, adanya interferensi. Mulai dari menit ke 7 pada didapatkan hasil pengujian waktu rata-rata yang percobaan pertama mulai adanya delay pada dibutuhkan untuk sebuah level dapat pengiriman node dengan jadwal 12 tetapi pada tersinkronisasi adalah sebagai berikut: menit selanjutnya dapat kembali seperti semula.
1. Waktu rata - rata sinkronisasi pada node
Tetapi beda dengan multihop pada percobaan ke level 1 : 2, disana masih terdapat delay pada angka yang
Dihitung mulai dari awal node aktif:
- ditampilkan pada tabel 4.4 sedangkan root
(24,648 + 16,033 + 24,223)/3 = 21,634 detik menerima TDMA dengan waktu yang lebih
cepat daripada node level 1 yang mengirim Dihitung mulai dari awal percobaan:
(28,329 + 17,107 + 26,546)/3 = TDMA dari node level 2 (multihop).
23,994 detik 2.
5. KESIMPULAN
Waktu rata - rata sinkronisasi pada node level 2: Berdasarkan hasil perancangan,
Dihitung mulai dari awal node aktif:
- implementasi, pengujian dan analisis yang telah
(45,377 + 28,650 + 28,703)/3 =
dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan
34,244 detik
sebagai berikut:
Faludi, Robert. 2010. Building Wireless Sensor
1. Implementasi metode sinkronisasi waktu Networks.
TPSN pada modul arduino dan NRF24L01 dimana pengujian fungsionalitas Kumar, S. & Chauhan, S., 2011. A Survey on menunjukkan sistem yang telah dibuat sudah
Scheduling Algorithms for Wireless. memenuhi persyaratan kebutuhan.
International Journal of Computer
2. Metode pengacakan waktu dan alamat Applications.
berhasil mendukung sebagian besar skenario Kurose, J., and Ross, K. 2012. Computer
TPSN dan TDMA, meskipun ada beberapa
Networking: A Top-Down Approach
kegagalan kecil pada sejumlah skenario Sixth Edition. Boston, Addison-Wesley. yang menjadi kelemahan seperti interverensi, namun dapat dikurangi dengan
Mathivanan, N. 2007.
PC-Based
jumlah byte acak yang ditambah, meskipun Instrumentation: Concept and Practice. dengan resiko waktu eksekusi yang dapat New Delhi, PHI. berjalan lebih lama.
RF24, 2016. Librari RF24. [online] Tersedia di:
3. Pengiriman TDMA dan multihop berjalan
<https://arduino- sesuai timeslot yang direncakanan, dengan info.wikispaces.com/nRF24L01-RF24- akurasi waktu diukur dari waktu pengiriman Examples> [Diakses 20 Desember dan waktu penerimaan TDMA 2016]
4. Library RF24 lebih komplek dari Mirf yang
digunakan pada penelitian sebelumnya, Sohraby, dkk. 2007. Wireless Sensor Networks:
RF24 bisa melakukan skenario transmisi
Technology, Protocols, and
data, penerimaan data, pengaturan channel, Applications. Canada. Wiley. pengalamatan berdasarkan
ID, dan Stallings, William. 2005. Wireless konfigurasi ukuran payload untuk
Communication and Networks Second
mendukung data array yang digunakan pada Edition . Pearson Education, Inc. sistem jauh lebih dalam kompleksitas buka Sebastopol. O’Reilly. tutup saluran radio.
DAFTAR PUSTAKA
Arduino, 2016. Product Arduino. [online] Tersedia di: <http://www.arduino.cc/en/Main/Produ cts> [Diakses 20 September 2016]
Chantrell, N., 2013. Experimenting with the
nRF24L01+ 2.4GHz radios. [Online]
Tersedia di: https://nathan.chantrell.net/20130810/e xperimenting-with-the-nrf24l01-2- 4ghz-radios/ [Diakses pada Maret 2016].
Chu, Y. et al., 2015. Application of reinforcement learning to medium access control for wireless sensor networks. Engineering Applications of pp. 23-32.
Artificial Intelligence,
Elson, J., and Estrin, D. 2001. Time
synchronization for wireless sensor networks . San Francisco, CA.
Elson, J., Girod, L., and Estrin, D. 2002. Fine-
grained network time synchronization using reference broadcasts . In UCLA
Technical Report 020008.