## SISTEM MONITORING DETAK JANTUNG BERBASIS LoRa
Rini Puji Astutik 1) , Rendy Fadjar Bakti 2)
1,2) Jurusan Teknik Elektro– Universitas Muhammadiyah Gresik
1 astutik_rpa@umg.ac.id , 2 rendyfajar23@gmail.com JL. Sumatra No 101, Gresik 61121, Jawa Timur

## ABSTRAK
Jaringan  sensor  nirkabel  yang  diimplementasikan  pada  bidang  kesehatan  manusia merupakan  teknologi  yang  krusial  untuk  melakukan  monitoring  kondisi  dari  seorang  pasien khususnya orang tua. Banyak keadaan dari badan seorang pasien yang perlu untuk diawasi antara lain  denyut  nadi,  suhu  badan  dan  detak  jantung.  Selama  ini  keadaan  tersebut  dicatat  secara berkala  oleh  seorang  perawat  yang  bertugas  sehingga  memungkinkan  data  tidak  dapat  diketahui setiap  saat.  Dalam  proposal  ini  dilakukan  penelitian  untuk  membuat  prototype  perangkat  sistem monitoring  kesehatan  pasien  dengan  menggunakan  jaringan  sensor  nirkabel  berbasis  teknologi LoRa.  Kesehatan  dalam  penelitian  ini  difokuskan  pada  monitoring  detak  jatung  pasien  sehingga jika  terjadi  kejanggalan  pada  detak  jantung  dapat  diketahui  secara  otomatis  waktu  sebenarnya. Jaringan sensor nirkabel terdiri dari node-node yang mengumpulkan informasi detak jantung dari pasien  dimana  selanjutnya  informasi  tersebut  dikirimkan  ke  node  pusat.  Node  pusat  dalam penelitian  ini  digunakan  komputer  (personal  computer)  untuk  menampilkan  sinyal  detak  jantung sebagai  sistem  monitoring.  Pengiriman  sinyal  yang  tertampil  pada  komputer  dari  node  pasient menggunakan  module  radio  frequency  (RF),  dalam  hal  ini  digunakan  teknologi  LoRa.  Hasil pengukuran yang diperoleh kurang maksimal dikarenakan sensor yang digunakan kurang sensitive Kata-kata kunci: Monitoring, LoRa, Jaringan sensor nirkabel, detak jantung, pasien .

## 1. PENDAHULUAN
Dalam rangka menuju revolusi industry  4.0,  banyak  teknologi  yang  telah dikembangkan  dan  salah  satunya  adalah jaringan  sensor  nirkable.  Jaringan  sensor nirkabel  ini  banyak  digunakan  dalam perangkat  pintar  seperti  smart  office,  smart home,  smart  farming,  smart  city,  smart healthcare  dan  lain  sebagainya.  Smart healthcare  merupakan  salah  satu  implemtasi dari jaringan sensor nirkable yang merupakan teknologi krusial. Seorang pasien dengan  kondisi  yang  mengkawatirkan  perlu dilakukan  pemantauan  kesehatan  dimana selama  ini  dibanyak  rumah  sakit  dilakukan pencatatan  keadaan  pasien  secara  berkala. Pencatatan  secara  berkala  tidak  mewakili keadaan setiap saat dari seorang pasien. Oleh sebab  itu  diperlukan  suatu  perangkat pemantauan  pasien  secara  otomatis  dan
setiap  saat  sehingga  jika  terjadi  sesuatu keganjilan  maka  dapat  diketahui  dengan segera.
Banyak penelitian yang telah dilakukan dalam bidang monitoring kesehatan  seperti  pada  [1]  dan  [2]  yang membahas tentang sistem monitoring kesehatan  pasien  dengan  menggunakan jaringan  sensor  nirkable  berbasis  teknologi Zigbee. Perangkat komunikasi Zigbee banyak  digunakan  pada  jaringan  sensor nirkable pada awalnya, namun saat ini sudah jarang  digunakan  dikarenakan  jarak  yang dicapai  hanya  kurang  lebih  9  m.  Paper  lain juga  membahas  tentang  sistem  monitoring kesehatan  menggunakan  jaringan  sensor nirkabel namun berbasis GSM. [3] Teknologi  GSM  kurang  efektif  untuk jaringan  sensor  nirkabel  dikarenakan  perlu adanya  kuota  atau  pulsa  untuk  melakukan
komunikasi  antar  node.  Penelitian  tentang desiain  rangkaian  pengumpul  data  untuk jaringan sensor nirkable dengan mempergunakan teknologi WiFi juga dibahas pada [4]. Teknologi WiFi mempunyai  jangkauan  yang  sama  untuk Zigbee  sekitar  10  m,  sehingga  untuk  rumah sakit yang luas kurang bisa maksimal dalam penggunaannya.
Dalam  paper  ini  terbagi  menjadi beberapa  bagian.  Bab  1  tentang  latar belakang, bab 2 dasar teori penunjang, bab 3 desain  perencanaan,  bab  4  hasil  dan  diskusi dan terakhir bab 5 kesimpulan dan saran.

## 2. DASAR TEORI

## 2.1. Jaringan Sensor Nirkabel
Jaringan Sensor Nirkabel mempunyai roadmap dimana pengembangan jaringan ini pada  beberapa  bidang  yang  mungkin mengimplementasikan  teknologi  ini  sangat berkaitan  erat  dengan  kebutuhan  manusia. Menurut [5], state of art dari jaringan sensor nirkabel  dapat  digambarkan  seperti  pada gambar 2.1.
Jaringan Sensor Nirkabel Transmisi Listrik Pintar Gedung Pintar Keamanan & Pengawasan Monitoring Kesehatan Monitoring Lingkungan Hiburan Transportasi Pertanian Pintar Aplikasi Industri Pelacakan Pengiriman Generasi ke 5 dari seluler
Gambar 1 . State of Art dari Jaringan Sensor Nirkabel
Monitoring kesehatan yang
merupakan  salah  satu  implementasi  dari jaringan  sensor  nirkabel  seperti  pada  [6] dimana digunakan WiFi sebagai komunikasi antara  node  arduino  dan  node  MCU.  Dalam rancangan ini, sistem dibedakan menjadi tiga bagian,  yaitu bagian pertama  yang berkaitan pengumpulan data kesehatan dari tiap pasien, kemudian  bagian  kedua  proses  pengirimaan data  ke  ruang  monitoring  dan  bagian  ketiga menghubungkan data di ruang monitoring ke
internet  untuk  dapat  digunakan  oleh  dokter atau perawat secara jarak jauh.
Dengan banyaknya penggunaan node dalam  sebuah  jaring  sensor  nirkabel  maka tidak  menutup  kemungkinan  terjadi  salah pengertian  diantara  node  dalam  jaringan tersebut.  Oleh  karena  itu  diperlukan  suatu kerja  sama  antar  node  untuk  menjamin komunikasi dalam jaringan sukses. Selain itu memperluas  cakupan  area  untuk  sebuah jaringan  sensor  nirkable  juga  dibutuhkan sehingga  dalam  [7]  dibahas  penggunaan node  koordinasi  serta  memperluas  area cakupan  dengan  menggunakan  Bluetooth sebagai  perangkat  komunikasi  dari  node pada pasien ke ruang monitor. Selain dari itu pengaturan penggunaan  energy juga dibahas sehingga dicapai suatu sistem yang effisien.
Penggunaan  LoRa  sebagai  perangkat komunikasi  telah  dibahas  pada  penelitian sebelumnya  [8]  dan  diseminarkan  dimana kemampuan  LoRa  diteliti  secara  mendalam baik  secara  simulasi  maupun  pengukuran real  time.  Dari  penelitian  diperoleh  cakupan area  untuk  LoRa  dengan  model  Dragino dapat mencapai 200 m.

## 2.2. Perhitungan Link Budget
Perhitungan  link  budget  adalah perhitungan pelemahan sinyal terhadap jarak sehingga  pada  jarak  yang  jauh  kekuatan sinyal  akan  makin  melemah.  Dalam  sistem komunikasi  radio,  perhitungan  link  budget diperoleh seperti pada persamaan (1) [9]
𝑃 𝐿 = | 𝑅𝑆𝑆𝐼 | + 𝑃 𝑡𝑥 + 𝐺 𝑡𝑥 + 𝐺 𝑟𝑥 (1)
Dimana semua komponen dalam satuan dB PL = Redaman
RSSI = Daya terima
Ptx = Daya pancar
Gtx = Penguat Pemancar
Grx = Penguat Penerima
Dengan  mengetahui  nilai  komponen redaman  dari  log-distance  maka  nilai redaman  dapat  diperoleh  dengan  persamaan (2) [10]
𝑃 𝐿 = 10 × 𝑛 × log 10 ( 𝑑 ) + 𝑃 𝐿0 (2)
Dimana
n = komponen redaman
d = Jarak antara dua node yang berkomunikasi
P L0 = redaman yang terukur pada jarak yang pertama yang diperoleh dari persamaan (3)
𝑃 𝐿0 = 20 × log 10 ( 4𝜋 𝜆 ) (3)
Dimana  adalah panjang gelombang dari  sinyal  yang  digunakan  sehingga  dapat diperoleh  dengan  menentukan  frekuensi yang digunakan.
2.3.Unjuk Kerja Sistem
dengan
Perhitungan BER (Bit Error Rate)
Perhitungan BER pada sistem komunikasi  berdasarkan  proses  probabilitas dari  banyaknya  data  yang  diterima  terhadap data yang dikirimkan. Berdasarkan [10] BER dipresentasikan dalam persamaan (4)
𝐵𝐸𝑅 = 𝐷𝑎𝑡𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑖𝑑𝑎𝑘 𝑑𝑖𝑡𝑒𝑟𝑖𝑚𝑎 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑑𝑎𝑡𝑎 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑡𝑒𝑟𝑘𝑖𝑟𝑖𝑚 × 100% (4)
Dari  persamaan  4  terlihat  bahwa  nilai BER  yang  lebih  rendah  mencerminkan sistem yang lebih baik
Pendekatan  lain  untuk  menganalisa unjuk  kerja  teknologi  LoRa  yaitu  dengan membandingkan  waktu  koheren  (T c )  dan waktu symbol (T s ). Waktu koheren berbanding  terbalik  dengan  perpindahan Doppler seperti dipresentasikan pada persamaan (5) [8]
𝑇 𝑐 = 2𝜋 𝜔𝐷 (5)
Dimana
T c = Waktu koheren
 D = Frekuensi anguler dari Doppler
Jika T s lebih besar dari T c maka fading cepat terjadi karena akibat Doppler yang menyebabkan  penyimpangan  sinyal  (signal distortion).  Waktu  symbol  dalam  modulasi LoRa dapat dihitung seperti pada persamaan (6)
𝑇 𝑠 = 2𝑆𝐹 𝐵𝑊 (6)
Dimana
T s = Waktu simbol
SF = Spreading Faktor
BW = Bandwith

## 3. DESAIN  SISTEM  MONITORING DETAK JANTUNG

## 3.1.Perancangan Hardware
Jaringan  sensor  nirkabel dalam penelitian ini akan dirancang 2 node sebagai pengindera  dan  1  node  sebagai  pengumpul data  dari  kedua  node  pengindera  dimana masing-masing  node  dilengkapai  dengan perangkat komunikasi yaitu LoRa. Perancangan  ini  ditunjukkan  seperti  pada gambar 2
Sensor Detak Jantung Sensor Suhu Dragiano Lora Arduino uno Power Bank

## Gambar 2 . Perancangan Hardware Sistem JSN
Setiap  data  yang  diterima  oleh masing-masing  node  akan  dikumpulkan  di node  sink  yaitu  node  pengumpul  data  dan ditampilkan di PC. Data ini untuk kemudian akan  dibandingkan  dengan  data  pengukuran dari  aplikasi  android  yang  sudah  tersedia  di HP android.

## 3.2.Perancangan Software
Perancangan  perangkat  lunak  dalam hal ini untuk mengimplementasikan monitoring detak jatung pasien digambarkan pada  gambar  3.  Diawali  dengan  persiapan penginderaan  detak  jantung  pada  masing- masing  node.  Kemudian  tiap-tiap  node melakukan  pengiriman  data  ke  node  pusat (cluster  head)  untuk  ditampilkan  pada  PC secara bergantian antara node.
Mulai Inisialisasi Node 1&2 Sensing Node 1 Kirim data? Node 2 Kirim data? Tampilkan Selesai Ya Tidak Ya Tidak Gambar 3 . Diagram Alir Sistem Monitoring Detak Jantung

## 3.3.Perancangan Pengujian
Selain  pengukuran,  dalam  penelitian ini juga dilakukan simulasi sebagai perbandingan  perhitungan  secara  real  dan simulasi.  Beberapa  simulasi  yang  dilakukan dalam adalah sebagai berikut
 Pengujian link budget
 Pengujian kesalah pengiriman data (BER)
 Pengujian Efek Doppler
 Pengujian Detak Jantung

## 4. HASIL DAN DISKUSI
4.1.Pengujian Link Budget
Pengujian pertama dari  penelitian ini adalah dengan melakukan pengukuran kekuatan  sinyal  (Signal  Strength)  dengan beberapa  jarak  yang  berbeda.  Dari  hasil pengukuran kekuatan sinyal ini dan dibanding  dengan  perhitungan  berdasarkan
seperti  pada  persamaan  (1-3)  terlihat  seperti gambar 4.
Gambar 4 . Pengukuran dan Perhitungan Kekuatan Sinyal Dari hasil pengukuran dan perhitungan dapat dilihat bahwa berdasarkan pengukuran  kekuatan  sinyal  dari  LoRa Dragino  Shield  akan  menurun  seiring dengan  meningkatnya  jarak  antara  dua  node yang  berkomunikasi.  Sinyal  terjelek  yang diterima  oleh  node  berdasarkan  pengukuran adalah  -98  dBm  ketika  jarak  mencapai  200 m seperti ditunjukan pada grafik warna biru.
Secara  perhitungan  dengan  memilih beberapa  parameter  seperti  gain  pengirim dan penerima sebesar 1 sedangkan frekuensi yang  digunakan  adalah  915  MHz  seperti spesifikasi  pada  LoRa  Dragino  Shield  yang digunakan.  Untuk  daya  pancar  dipilih  tiga nilai  yang berbeda  yaitu 0 dBm, 5 dBm dan 10  dBm  dan  hasilnya  seperti  pada  grafik warna  hitam  untuk  daya  pancar  sebesar  0 dBm,  warna  magenta  untuk  daya  pancar sebesar 5 dBm dan untuk 10 dBm dilukiskan dengan  grafik  warna  hijau.  Hasil  simulasi memperlihatkan  semakin  tinggi  daya  pancar maka  semakin  baik  kekuatan  sinyal  terima. Kekuatan  sinyal  terima  terbaik  dicapai ketika  daya  pancar  yang  digunakan  adalah 10 dBm yaitu -68,17 dBm pada jarak 200 m.
4.2.Pengujian Kesalahan Pengiriman Data Pengunjian kesalahan data berdasarkan persamaan (4) dengan melakukan  percobaan  pengiriman  data antara  dua  node  yang  saling  berkomunikasi. Pada  pengujian  ini  dilakukan  percobaan sebanyak  35  variasi  jarak  dengan  perbedaan jarak  sepanjang  1  m  dan  berdasarkan
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 Kekuatan Sinyal Terhadap Jarak Jarak RS SI Pengukuran Sim-Pt=0 dBm Sim-Pt=5 dBm Sim-Pt=10 dBm
perhitungan  diperoleh  kesalahan  pengiriman data  seperti  digambarkan  seperti  pada gambar 5.

## Gambar 5 . Pengujian Kesalahan Pengirimana Data
Dari  gambar  5  terlihat  semakin  jauh jarak  komunikasi  maka  semakin  besar prosentase  kesalahan  pengirimana  data. Terlihat  dari  jarak  31  m  maka  sudah  terjadi kesalahan dengan prosentase rata-rata sebesar 6% dan sejak jarak 34 m maka tidak ada  data  yang  diterima  sehingga  prosentasi rata-rata  kesalahan  pengiriman  data  sebesar 100%.

## 4.3.Pengujian Efek Doppler
Efek  Doppler  merupakan  salah  satu gangguan  pada  sistem  komunikasi  nirkabel dimana hal ini akan terjadi jika waktu simbol melebihi waktu koheren. Dalam perhitungan ini  disetting  nilai  Spreading  Factor  dan Bandwidth  yaitu  BW=125  kbps  dengan SF=12,  BW=125  kHz  dengan  SF=11, BW=125  kHz  dengan  SF=10  dan  BW=250 kHz  dengan  SF=7.  Hasil  perhitungan diperoleh  data  seperti  digambarkan  pada gambar 6
Dari gambar 6 terlihat bahwa ketika nilai SF  tinggi  maka  kecepatan  tinggi  akan menyebabkan  terjadinya  efek  Doppler. Ketika SF=12 dan bandwidth 125 kHz maka efek  Doppler  terjadi  saat  kecepatan  lebih dari 70,5 km/jam. Namun saat SF=7 dengan bandwidth  250  kHz  dan  SF=10  dengan bandwidth  125  kHz  maka  waktu  koheren selalu  berada  diatas  waktu  simbol.  Hal  ini berarti  untuk  parameter  tersebut  efek Doppler tidak akan pernah terjadi.

## 4.4.Pengujian Detak Jantung
Data  diambil  dari  dua  sistem  yaitu perangkat  jaringan  sensor  nirkabel  dan aplikasi  instance  heart  rate.  Pengujian  dari sistem monitoring detak jantung dan aplikasi android ditunjukkan seperti pada gambar 7
(a) Tampilan Sistem Jaringan Sensor Nirkabel (b) Tampilan Aplikasi
Instance Heart Rate
Gambar 7 . Pengukuran dari Sistem JSN dan Aplikasi dari Pasien
Tabel  1  menunjukkan  pengukuran  dari beberapa responden baik dari sistem jaringan sensor  nirkabel  dan  aplikasi  android.  Dari hasil  terlihat  bahwa  tidak  ada  perbedaan hasil pengukuran dari sistem jaringan sensor nirkabel antara yang berusia muda dan senja. Hal  ini  dikarenakan  spesifikasi  sensor  pulsa kurang  bisa  mengakomodasi  secara  detail sehingga pengukuran kurang bisa
menampilkan hasil yang sebenarnya. Penggantian  sensor  yang  lebih  mempunyai
0 5 10 15 20 25 30 35 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Pengujian Kesalahan Data Jarak (m) P ro se nt as e K es al ah an D at a (% ) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Perbandingan Waktu Koheren dan Beberapa Waktu Simbol Kecepatan (km/j) W a k tu ( d e ti k ) Waktu Koheren (Tc) Ts1(BW=125 kHz,SF=12) Ts2(BW=125 kHz,SF=11) Ts3(BW=125 kHz,SF=10) Ts4(BW=250 kHz,SF=7)
spesifikasi  khusus  untuk  medis  akan mendapatkan hasil yang maksimal.
Tabel 1 Pengukuran Detak Jantung dari Beberapa Responden
No
Responden  Usia
JSN Aplikasi 1 A 45 191 114 2 B 35 79 92 3 C 70 144 120 4 D 18 90 87 5 E 32 80 84 6 F 38 85 90

## 5. KESIMPULAN
Sistem monitoring detak jantung
memerlukan  komponen  dengan  sensitifitas tinggi.  Dari  hasil  percobaan  dan  simulasi dapat disimpulkan sebagai berikut:
 Simulasi dari Pemodelan Sistem
o Pengukuran  berdasarkan  percobaan dengan  menggunakan  LoRa  Dragino Shield  menghasilkan  kekuatan  sinyal terima  terjelek  adalah  -98    dBm  pada jarak  200  m.  sedangkan  berdasarkan perhitungan  diperoleh  -68,17  dBm pada  jarak  200  m  dengan  daya  pancar digunakan sebesar 10 dBm.
o Kesalahan pengiriman data juga dilakukan  pengujian  sebanyak  35 variasi  jarak  dengan  perbedaan  jarak sepanjang  1  m  dan  hasilnya  adalah jarak  maksimum  untuk  pengiriman data  adalah  34  m  dimana  prosentase kesalahan terjadi hingga 100%.
o Pengujian  efek  Doppler  menghasilkan bahwa  efek  Doppler  terjadi  ketika SF=12  dan  bandwidth  125  kHz  pada saat  kecepatan  melebihi  70,5  km/jam. Efek  Doppler  ini  tidak  terjadi  pada waktu  SF=7  dengan  bandwidth  250 kHz  dan  SF=10  dengan  bandwidth
sebesar  250  kHz  karena  waktu  simbol tidak pernah melebih waktu koheren
 Penggunaan  sensor  pulsa  kurang  dapat menampilkan  hasil  yang  sesuai  dengan actual,  hal  ini  dapat  dilihat  dari  table  1 dimana  antara  responden  usia  lanjut  dan muda tidak ada bedanya.

## 6. Daftar pustaka
[1] M.Raste,
S.K.Parchandekar, G.S.Wagh,”Wireless  Sensor  Network For Patient Health Monitoring System”, International Research Journal of
Engineering  and  Technology,  Vol.4,
Issue 6, June 2017.
[2] T S Sollu, Alamsyah, M.Bachtiar and A G  Sooai,”Patients’  Heart  Monitoring System  Based  on  Wireless  Sensor Network”,  International  Conference  on Vocational  Education  and  Electrical Engineering, 2018.
[3] Sunil  L.  Rahane,  Prof.Ramesh  S. Pawase,  “A  Healthcare  Monitoring System Using Wireless Sensor Network with  GSM”,  International  Journal  of
Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering,Vol.4 Issue. 7, July 2015.
[4] Giang  N.Tran,  Linh  H.Truong,  Hoa T.Tran, and Minh T.Nguyen, “A Design of  Sensing  Data  Collection  Circuits  for Wireless  Sensor  Network  Utilizing WiFi Technology”, International Computer  Science  and  Engineering Society, Vol.5, No.1, March 2019.
[5] Rahat  Ali  Khan  and  Al-Sakib  Khan Pathan,”The  state-of-the-art  wireless body area sensor networks: A survey”,International Journal of Distributed  Sensor  Networks,  March 2018 [6] Uttara Gogate and Jagdish Bakal,”Healthcare  Monitoring  System
Based  on  Wireless  Sensor  Network  for Cardiac  Patients”,  Biomedical  & Pharmacology  Journal,  Vol.  11(3), September 2018.
[7] Er.Perumal  Sindhu  rekha.G,  Hindhu shree.S, Rameena.S, Hemalatha.B,
Anletpamila suhi.P,”A Hospital Healthcare  Monitoring  System  Using Wireless Sensor Networks”,
International  Conference  on  Emerging trends  in  Engineering,  Science  and
Sustainable Technology, 2017.
[8] Rini  Puji  Astutik  and  Hendra  Ari Winarno,”Feasibility  Test  on  the
Performance  of  LoRa  Technology Incorporated  in  the  Wireless  Sensor Networks”, International Conference on Engineering  and  Applied  Technolgy, October 2019
[9] Achmad Fauzi Rachmani and Fitri Yuli
Zulkifli,  "Trial  and  Evaluation  of  LoRa Performance  For  Smart  System  Multi- Client Model," in  International Seminar Intelligent Technolgy on Its Application, Denpasar, Bali, August 2018, pp. 33-38
[10] Misbah  et  al.,  "Communication  System on  Wireless  Sensor  Networks  using Rasberry Pi and Arduino for Monitoring Gas  of  Air  Pollution,"  in  Internationl
Seminar  Intelligent  Technology  on  Its Application, Denpasar, Bali, 44, p. 39