PROPOSAL TUGAS AKHIR

ANALISIS QUALITY OF SERVICE DAN EFISIENSI ENERGI

PROTOKOL ZIGBEE PADA JARINGAN SENSOR NIRKABEL

Diajukan untuk Memenuhi Persyaratan Akhir

Program Pendidikan Sarjana Sains Terapan Jurusan Teknik Elektro

Politeknik Negeri Semarang

Disusun oleh :

Prahareza Ardiansyah

4.35.10.0.16

PROGRAM STUDI D4 TEKNIK TELEKOMUNIKASI

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

POLITEKNIK NEGERI SEMARANG

2014

2

JURUSAN SURAT PERNYATAAN

T. ELEKTRO PENJAMINAN KARYA FORM-1

POLINES PROYEK AKHIR

Yang bertanda tangan di bawah ini, kami :

Nama/NIM/Kelas :

1. Prahareza Ardiansyah / 4.35.10.0.16/ JRK4A

Program Studi : D4 Teknik Telekomunikasi

Jurusan : Teknik Elektro

Menyatakan bahwa dalam proyek akhir ini tidak terdapat karya yang pernah

diajukan untuk memperoleh sebutan keahlian di suatu pergururan tinggi dan tidak

terdapat karya / pendapat yang pernah ditulis dan dibuat oleh orang lain kecuali

yang secara tertulis diacuan dalam naskah / karya proyek akhir ini dan disebutkan

dalam daftar pustaka.

Semarang, 23 Maret 2014

a.n. mahasiswa

Prahareza Ardiansyah

NIM.4.35.10.0.16

3

JURUSAN PERSETUJUAN USULAN

T. ELEKTRO FORM-2

PROYEK AKHIR

POLINES

Nama penyusun/NIM/Kelas :

1. Prahareza Ardiansyah / 4.35.10.0.16 / JRK4A

Program Studi : D4 Teknik Telekomunikasi

Jurusan : Teknik Elektro

Judul Proyek Akhir : ANALISIS QUALITY OF SERVICE

DAN EFISIENSI ENERGI PROTOKOL ZIGBEE

PADA JARINGAN SENSOR NIRKABEL

Semarang, 23 Maret 2014

Pembimbing I Pembimbing II

Sidiq Syamsul H., S.T., M.T.,Ph.D. Arif Nursyahid, Drs, M.T.

NIP.197203112000031002 196107171986031001

Mengetahui,

Ketua Program Studi

D4 Teknik Telekomunikasi

Abu Hasan, S.T., M.T.

NIP.196506071990031001

4

1. Judul

Analisis Quality of Service dan Efisiensi Energi Protokol Zigbee Pada

Jaringan Sensor Nirkabel .

2. Latar Belakang Masalah

Jaman semakin berkembang, smartphone dan manusia hampir sepenuhnya

tergantung pada internet untuk segala informasi yang semua terdiri dari sekitar 50

petabyte (satu petabyte adalah 1.024 terabyte) data yang tersedia di internet. Jika

manusia memiliki handset yang begitu banyak tahu tentang semua hal.

Menggunakan data yang terkumpul tanpa peran manusia itu sendiri, sehingga

dapat melacak, memantau, menghitung, bahkan mengontrol segala sesuatunya

yang berguna mengurangi pemborosan dan kerugian. Internet of things memiliki

potensi mengubah dunia seperti yang pernah dilakukan internet, bahkan mungkin

lebih baik (Ashton, 2009).

Wireless Sensor Network merupakan salah satu bagian implementasi dari

internet of things yang terdiri dari kumpulan node sensor yang tersebar di suatu

area tertentu (sensor field). Tiap node sensor memiliki kemampuan untuk

mengumpulkan data dan berkomunikasi dengan node sensor lainnya. Dengan

adanya teknologi WSN, manusia dapat memonitor dan mengontrol temperatur,

kelembaban, kondisi cahaya, level derau, pergerakan suatu objek dan sebagainya.

Dengan berbagai macam fungsinya tersebut, teknologi WSN juga mempunyai

salah satu kelemahan yaitu keterbatasan daya, karena secara fungsional sistem

harus bekerja dan berkomunikasi secara terus-menerus. Maka dari itu,

digunakanlah protokol zigbee sebagai protokol komunikasi data yang dinilai

mempunyai low consumption energy, yang sekaligus dapat menjawab atas

masalah keterbatasan daya WSN.

Zigbee sendiri merupakan protokol jaringan yang membutuhkan daya paling

rendah dibandingkan protokol jaringan lainnya seperti WiFi ataupun bluetooth,

yang dapat dimanfaatkan untuk komunikasi dengan kapasitas dan laju data yang

cukup kecil. Protokol zigbee sangat cocok digunakan dalam jaringan sensor

nirkabel, karena jika perangkat sensor menggunakan catu daya batere yang

5

memiliki energi terbatas, dan zigbee mampu mengatasinya dengan kelebihannya

akan keefisienan dayanya.

Namun dalam suatu jaringan sensor nirkabel yang berfungsi sebagai sistem

monitoring, bahkan controlling, diperlukan komunikasi data antar node pada

jaringan secara berkala dan realtime agar sistem berfungsi maksimal. Sedangkan

konsumsi energi semakin lama akan semakin bertambah seiring berjalannya

waktu. Oleh karena itu, efisiensi energi perlu dilakukan agar sumber daya sistem

dapat bertahan dalam waktu yang jauh lebih lama, karena dalam komunikasi

nirkabel penghematan daya merupakan sesuatu yang sangat penting.

Di lain sisi, kinerja jaringan area personal nirkabel (WPAN) akan lebih

optimal jika parameter-parameter WPAN sesuai dengan kondisi lingkungan dan

peralatan, maka dalam pembuatan Tugas Akhir ini juga akan dilakukan penelitian

tentang beberapa parameter jaringan seperti throughput, packet loss dan delay

untuk meningkatkan kinerja jaringan zigbee, yang nantinya akan disimulasikan

dalam beberapa metode. Oleh karena itu dipilihlah judul Tugas Akhir “Analisis

Quality of Service dan Efisiensi Energi Protokol Zigbee pada Jaringan Sensor

Nirkabel”.

3. Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang di atas, maka dapat dirumuskan permasalahan

sebagai berikut:

a. Bagaimana mendesain sebuah sistem monitoring suhu berbasis jaringan

sensor nirkabel?

b. Apa saja parameter yang mempengaruhi penghematan energi pada jaringan

zigbee?

c. Bagaimana delay dan packet loss dapat diminimalisir agar kinerja jaringan

lebih optimal?

d. Bagaimana nilai throughput dapat ditingkatkan?

6

4. Tujuan

Tugas akhir ini bertujuan untuk meningkatkan performansi protokol zigbee

pada jaringan sensor nirkabel, dalam hal efisiensi energi dan penelitian

kinerja jaringannya.

5. Pembatasan Masalah

Dalam pembuatan Tugas Akhir ini, masalah yang akan dibahas terbatas pada:

a. Penelitian performansi protokol zigbee pada jaringan sensor nirkabel

b. Penghitungan throughput, delay, dan packet loss pada jaringan zigbee

dengan topologi multihop dan dengan jumlah empat node

c. Pengujian besar energi terpakai yaitu pada komunikasi point-to-point

antara node sensor dan coordinator

d. Penghitungan energi terpakai yaitu dalam kurun waktu tertentu (tidak

sampai baterai habis)

e. Simulasi sistem deteksi kebakaran berbasis JSN dilakukan di satu sampel

lokasi sebagai tempat di mana sistem diujikan

6. Metodologi

Metode yang digunakan dalam pembuatan Tugas Akhir ini sebagai berikut:

a. Metode Studi Literatur

Metode literatur digunakan untuk memperoleh informasi, dasar teori

yang diperoleh dari buku, internet, serta jurnal, yaitu sebagai studi

pustaka yang akan mendukung pembuatan proyek akhir.

b. Studi Lapangan (Observasi)

Metode studi lapangan digunakan untuk memperoleh informasi dan

data-data dari hasil pengamatan yang dapat mendukung dalam

pembuatan Proyek Akhir.

c. Perancangan dan Pembuatan Sistem

Metode perancangan dan pembuatan sistem digunakan untuk

merencanakan, membuat sistem, serta merealisasikan alat sebagai

tugas akhir.

7

d. Pengujian

Metode pengujian dilakukan untuk menguji sistem yang telah dibuat,

serta menguji parameter yang mempengaruhi sistem kerja dari alat

tersebut. Data hasil pengujian yang diperoleh akan dianalisis sehingga

dapat ditarik suatu kesimpulan

e. Metode Analisis

Metode analisis digunakan untuk menganalisis data dan menghitung

data yang diperoleh.

7. Landasan Teoritis

7.1. Sensor

Sensor adalah bagian dari tranduser yang digunakan untuk melakukan

sensing (merasakan dan menangkap) terhadap perubahan di lingkungan. Sistem

kerja dari sensor ini adalah mengubah besaran fisik menjadi besaran listrik

sehingga dapat dianalisis dalam rangkaian elektronika. Biasanya sensor di rancang

dalam ukuran yang relatif kecil. Adapun sensor yang dipakai dalam sistem ini

adalah sensor suhu LM 35.

7.2. Arduino

Arduino adalah salah satu single board microcontroller yang bersifat open

source dan fleksibel, mudah dalam menggunakan baik dari segi hardware

maupun software. Dengan adanya arduino ini, perakitan microcontroller yang

sangat rumit dapat dikonfigurasi dengan mudah, bahkan orang awam pun yang

tidak mengenal dunia elektronika dapat menggunakan arduino, cukup dengan

mengisikan program di dalamnya. Arduino dapat memproses data lingkungan

dengan input dari sensor sehingga dapat digunakan sebagai pengendali, baik

pengendali cahaya, lampu, motor, dan lain-lain. Arduino dapat bekerja sendiri

ataupun dikombinasi dengan software yang berjalan dalam komputer. Gambar 1.

adalah salah satu contoh dari jenis arduino. ( sumber : www. arduino.cc )

8

Gambar 1. Arduino Uno R3

7.3. Jaringan sensor nirkabel

Jaringan sensor nirkabel adalah sebuah jaringan tanpa kabel yang terdiri dari

banyak sensor sehingga dapat digunakan untuk memantau suatu lingkungan. Tiap-

tiap sensor (node) akan mengukur dan memantau suatu lingkungan sehingga

dapat dikirimkan menuju koordinator. Fungsi dari koordinator pada jaringan

sensor nirkabel adalah mengatur dan mengkoordinasi semua node sehingga node

dapat diproses ke gateway. Gateway (router) akan memproses hasil pengiriman

data dari node menuju penerima (Robert Faludi, 2011).

Dalam pengiriman data dari sensor menuju gateway, digunakan jaringan

nirkabel dengan standar protokol IEEE 802.15.4, dimana lebih sering disebut

sebagai protokol zigbee. Alasan digunakan protokol zigbee adalah konsumsi daya

yang rendah sehingga sangat cocok untuk mengukur dan memantau suatu

lingkungan yang tidak terjangkau oleh listrik perumahan. Gambar 2. adalah modul

Xbee sebagai salah satu modul yang menggunakan protokol zigbee.

Gambar 2. Modul Xbee S2

7.4. Variabel Penelitian

7.4.1 Delay

Dalam proses pengiriman data (transmisi) dari komputer satu dengan

komputer lain atau lebih luas lagi dari jaringan suatu kota ke kota lain,

kemungkinan terjadinya gangguan dari proses tersebut pasti ada. Hal ini

9

dikarenakan adanya gangguan pada media transmisi itu sendiri atau gangguan

dari luar. Gangguan yang mungkin terjadi pada sinyal analog akan

mengakibatkan kualiatas sinyal yang diterima tidak lengkap sehingga

menurunkan kualitas data. Sedangkan pada sinyal digital, kemungkinan dapat

terjadi data error artinya binary ‘1' akan menjadi binary ‘0' dan sebaliknya,

yang mengakibatkan kesalahan data. Gangguan yang sering terjadi pada

proses transmisi data diantaranya adalah Attenuation / Attenuation Distortion

dan Delay Distortion. Delay Distortion adalah pemotongan/pelemahan fasa,

dimana fasa atau waktu yang diperlukan sinyal untuk melewati media

transmisi dilemahkan, terjadi akibat kecepatan sinyal yang melalui medium

berbeda-beda, sehingga sinyal yang dikirimkan transmitter ke reciver akan

cenderung lebih lama. Nilai delay didapatkan dari rumus berikut:

𝐷𝑒𝑙𝑎𝑦 = 𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑑𝑎𝑡𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑘𝑖𝑟𝑖𝑚

𝑇ℎ𝑟𝑜𝑢𝑔ℎ𝑝𝑢𝑡

7.4.2. Packet Loss

Definisi packet loss adalah banyaknya paket yang hilang selama proses

transmisi dari sumber ke tujuan. Nilai packet loss selama proses transmisi

dari sumber ke tujuan adalah sebagai berikut:

𝑃𝑎𝑐𝑘𝑒𝑡 𝐿𝑜𝑠𝑡 = (𝐷𝑎𝑡𝑎 𝑑𝑖𝑘𝑖𝑟𝑖𝑚 − 𝐷𝑎𝑡𝑎 𝑑𝑖𝑡𝑒𝑟𝑖𝑚𝑎)

𝐷𝑎𝑡𝑎 𝑑𝑖𝑘𝑖𝑟𝑖𝑚𝑥 100%

7.4.3. Throughput

Throughput merupakan kinerja jaringan yang terukur. Throughput merupakan

jumlah bit yang berhasil dikirim pada suatu jaringan (Yunia Ikawati dkk,

2011). Sedangkan menurut E. Setio Dewo (2003), throughput adalah

bandwidth aktual yang terukur pada suatu ukuran waktu tertentu dalam suatu

hari menggunakan rute jaringan yang spesifik ketika sedang men-download

suatu file. Nilai throughput dinyatakan dalam rumus berikut:

𝑇ℎ𝑟𝑜𝑢𝑔ℎ𝑝𝑢𝑡 = 𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑑𝑎𝑡𝑎 𝑑𝑖𝑡𝑒𝑟𝑖𝑚𝑎

𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑝𝑒𝑛𝑔𝑖𝑟𝑖𝑚𝑎𝑛

10

7.4.4. Energi

Energi adalah sumber kekuatan utama yang dibutuhkan bagi peralatan

elektronik, yang tersimpan dalam arus listrik dengan satuan amper (A) dan

tegangan listrik dengan satuan volt (V) dengan ketentuan kebutuhan

konsumsi daya dengan satuan Watt (W) untuk untuk menghasilkan bentuk

energi yang lain. Energi besarnya dari beberapa Joule sampai ribuan hingga

jutaan Joule. Jumlah energi dapat dinyatakan dalam rumus:

𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 (𝑗𝑜𝑢𝑙𝑒) = 𝐷𝑎𝑦𝑎 (𝑤𝑎𝑡𝑡)𝑥 𝑊𝑎𝑘𝑡𝑢 (𝑑𝑒𝑡𝑖𝑘)

𝐵𝑒𝑠𝑎𝑟 𝑑𝑎𝑦𝑎 𝑡𝑒𝑟𝑝𝑎𝑘𝑎𝑖 (𝑤𝑎𝑡𝑡) = 𝐴𝑟𝑢𝑠 (𝑚𝐴) 𝑥 𝑇𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 (𝑉𝑜𝑙𝑡)

8. Sistematika Penulisan

Untuk mempermudah dalam memperoleh gambaran mengenai

permasalahan yang dibahas, maka pada penulisan Proyek Akhir dibagi

dalam lima bab. Isi dari masing-masing bab tersebut adalah sebagai berikut:

I. PENDAHULUAN

Bab ini membahas mengenai latar belakang masalah, pembatasan

masalah, tujuan, metode penyusunan, serta sistematika penulisan

proyek akhir

II. DASAR TEORI

Bab ini membahas mengenai teori dari sistem monitoring suhu dan

variabel penelitian jaringan sensor nirkabelnya, yang mendukung

pembuatan proyek akhir ini.

III. KONFIGURASI SISTEM

Bab ini berisi pembahasan mengenai konfigurasi sistem monitoring

suhu berbasis jaringan sensor nirkabel, mulai dari instalasi sensor dan

arduino dan instalasi jaringan nirkabel zigbee.

IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS SISTEM

Bab ini berisi mengenai pengujian efisiensi energi dan kualitas

layanan jaringan sistem beserta analisis data dari hasil pengujian.

V. PENUTUP

Bab ini berisi kesimpulan dan saran.

11

9. Topologi Sistem

Sistem yang akan dijadikan objek penelitian yaitu sistem monitoring suhu

berbasis jaringan sensor nirkabel, ditunjukkan dengan Gambar 3. di bawah ini:

Gambar 3. Topologi Sistem

9.1. Prinsip Kerja Sistem

Informasi pembacaan sensor suhu dari semua node sensor akan dikirimkan

melalui jaringan zigbee menuju ke node sensor 1 (coordinator), kemudian

microcontroller (arduino) membaca informasi tersebut dan meneruskannya

menuju gateway. Fungsi gateway di sini untuk menghubungkan jaringan sensor

nirkabel dengan internet atau jaringan komputer, yang akhirnya informasi tadi

dapat ditampilkan ke PC pengguna sebagai pemantau suhu.

Dalam sistem tersebut, node sensor 2 dan 3 juga berfungsi sebagai node

repaeter, di mana selain dapat mengirimkan data dari sensornya sendiri, keduanya

dapat meneruskan informasi dari sensor pada node 4.

Penghitungan besar energi dilakukan saat pengiriman data antar node,

dengan menentukan perubahan jarak baik melalui penghalang ataupun dalam

kondisi loss, mengubah besar data, data rate, dan interval waktu pengiriman dari

node pengirim ke node penerima. Maka akan dapat dibandingkan dalam rentan

waktu tertentu berapa jumlah daya yang telah dihabiskan.

Selanjutnya melakukan penelitian terhadap parameter throughput, delay,

dan packet loss dalam beberapa kondisi komunikasi antar node yang berbeda pula,

Sensor Node 1

(Coordinator Node)

Sensor node 4

(End Node)

Sensor node 3 Sensor node 2

12

yaitu dengan menentukan besar data yang dikirim (payload), data rate

pengiriman, dan mode pengiriman data, yang dimaksudkan untuk mengetahui

bagaimana kondisi optimal jaringan zigbee bekerja, sehingga mendapatkan

kualitas layanan jaringan sebagaimana mestinya agar sistem deteksi kebakaran

dapat berfungsi maksimal.

Gambar 4. Flowchart Perencanaan dan Pengujian Penelitian

9.2. Parameter Pengujian

Parameter yang digunakan sebagi pengujian adalah :

a. Berjalan atau tidaknya sistem deteksi kebakaran berbasis JSN.

b. Pengujian besar energi dengan mengubah variabel:

Perencanaan

Jaringan dan

Konfigurasi Alat

Start

Survey Alat dan

Lokasi

Pengujian

Pengujian

Sistem

Pengumpulan

Data

Pengolahan

Data

End

13

Jarak antar node (dengan ada dan tidak adanya penghalang)

Besar data yang dikirim

Data rate

Interval pengiriman data

c. Pengujian throughput, delay dan packet lost dengan mengubah variabel:

Besar data yang dikirim

Data rate

Mode pengiriman paket

10. Anggaran Biaya

Perencanaan anggaran biaya untuk pembuatan Tugas Akhir adalah sebagai

berikut.

No. Nama

Barang Spesifikasi Satuan Harga

Ketera-

ngan

1

Arduino

Leonardo

DFRobot

Mikrokontroller :

ATmega32µ4

Tegangan Input

(recommended) : 7-

12 V

Interface : Micro

USB

Pin Digital I/O : 20

PWM Channel : 7

Arus DC per pin I/O

: 40mA

Arus DC untuk pin

3.3 V : 800 mA

Flash Memory : 32

KB dengan 4 KB

digunakan untuk

bootloader

SRAM : 2.5 KB

EEPROM : 1 KB

3 Rp 255.000,- Beli

14

2 Xboard

V2

MCU:ATmega328P

low voltage version

(16 MHz)

Ethernet : WIZ5100

SuplyVoltage:5-12

Output Voltage : 5

V/3.3 V

Digital I/O : 8

Analog In : 8

1 Rp 390.000,- Beli

3 Xbee

Series 2

3.3V @ 40mA 250

kbps Max data rate

2mW output

(+3dBm)

400ft (120m)range

Built-in antenna

Fully FCC certified

6 10-bit ADC input

pins

8 digital IO pins

128-bit encryption

Local or over-air

ConfigurationAT or

API command set

4 Rp 390.000,- 1 Beli 3

Pinjam

4 Sensor

Suhu

Sensitivitas suhu,

dengan faktor skala

linier antara tegangan

dan suhu 10

mVolt/ºC.

Akurasi kalibrasi

yaitu 0,5ºC pada suhu

25 ºC.

Jangkauan operasi

suhu antara-55 ºC

sampai +150 ºC.

Bekerja pada

tegangan 4 sampai 30

volt.

4 Rp 30.000,- Beli

15

6 Xbee

Adapter

Supports the ZigBee

PRO feature set

Compatible with

ConnectPort® X

gateways for IP

connectivity

Flexible powering

options

Outdoor RF line-of-

sight range up to 1

mile with XBee-

PRO®

Product datasheet

4 Rp 260.000,- 2 Beli

2 pinjam

7

Mikrotik

RB751U-

2HND

Architecture MIPS-

BE

RAM64MB

Ports 5 Fast Ethernet

Wireless Standarts

802.11 b/g/n

Wireless Tx Power

30dbm

Port USB

Power Jack 8-30V

Input POE

Mikrotik Router OS

RouterOS License

Level 4

1 Rp 750.000,- Pinjam

Total biaya dikeluarkan Rp 2.085.000,-

16

11. Jadwal Kegiatan

Berikut ini adalah jadwal kegiatan pembuatan Tugas Akhir.

12. Penutup

Demikian proposal Tugas Akhir yang berjudul, "Rancang Bangun dan

Analisis Sistem Penanganan Dini Kebakaran Berbasis Internet of Things

pada Jaringan Sensor Nirkabel" ini disusun sebagai acuan untuk

pelaksanaan Tugas akhir.

17

DAFTAR PUSTAKA

Aga, Sujaya. 2013. Tugas Akhir : Rancang Bangun dan Analisis Sistem

Deteksi Dini Kebakaran Berbasis Jaringan Sensor Nirkabel. Semarang :

Politeknik Negeri Semarang.

Faludi, Robert, 2011, Building Wireless Sensor Network, Gravenstein Highway

North : O'Reilly, 2011.

Sinclair, Ian. 2001. Sensors and Tranducers. Butterwort : Newnes

Sugiarto, Bambang, Perancangan Sistem Pengendalian Suhu pada Gedung

Bertingkat dengan Teknologi Wireless Sensor Network, Jurnal Teknik Mesin

Cakra M, Vol. 4 No.1. April 2010.

Kazem et al. 2007. Wireless Sensor Network Technology, Protocols, and

Applications. New Jersey: Wiley.

Rappaport, Theodore S. 2002. Wireless Communications Principles and Practice.

Upper Saddle River: Prentice Hall