## Sistem Detektor Kebakaran untuk Rumah Susun dengan Sistem Wireless Sensor Network
Fardhan Arkan
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Bangka Belitung arkanfardhan@gmail.com

## Abstract
Fire is one disaster that often leads to the large amount of material losses and casualties. This is partly due to  the  lack  of  support  tools provided  by  residential buildings.  There  are  two  kinds  of  systems  of fire  protection of  buildings against disasters namely active and passive protection systems. One example of passive protection system is a system of early detection of the symptoms of fire. The existence of this detection system is very important because it can avoid the fires that endanger the occupants of the house more. The fire detector system design using technology Wireless Sensor Network (WSN).
Wireless  Sensor  Network  technologies  are  used  by  utilizing  the  Zigbee  wireless  network  as  data communication.    In  which  every  residential  building  mounted  fire  detectors  consisting  of  1  smoke  sensor,  1  temperature sensor and, 1 censor hotspots. One of the advantages of the ZigBee network is also in addition to the license -free operation is very easy, it is small and requires very low power. Besides, also the application of ZigBee technology in this thesis is used to establish communication protocols and systems make the security system and the reliability of data. This technology consist of a standard seven layer OSI model.
Keywords: protection systems, active and passive, wireless sensor networks, ZigBee.

## Intisari
Kebakaran  merupakan  salah  satu  bencana  yang  seringkali  menyebabkan  besarnya  jumlah kerugian  material  dan korban  jiwa.  Hal  ini  salah  satunya  disebabkan  oleh  kurangnya  peralatan pendukung  yang  disediakan  oleh  rumah susun. Terdapat  dua macam  sistem  perlindungan  bangunan terhadap  bencana  kebakaran  yakni sistem  proteksi  aktif  dan  pasif. Salah    satu    contoh    sistem  proteksi    pasif    adalah    adanya    sistem    deteksi    dini  terhadap  gejala  kebakaran.    Adanya    sistem deteksi  ini  sangat penting karena dapat menghindari proses kebakaran yang lebih meluas baik bangunan rumah maupun harta benda.
Perancangan  sistem  detektor  kebakaran  ini  menggunakan  teknologi  Wireless    Sensor    Network    (WSN).  Teknologi    Wireless Sensor  Network  (WSN)  yang  digunakan  dengan      memanfaatkan  jaringan    nirkabel    Zigbee  yang  diatur    dalam  standar  IEEE 802.15.4 sebagai  komunikasi  datanya. Salah  satu  kelebihan  pada  jaringan Zigbee ini adalah selain bebas lisensi juga pada pengoperasiannya yang sangat mudah, bentuknya kecil dan membutuhkan  daya  yang  sangat  rendah. Posisi Pada penerapanya perangkat  keras  zigbee  dibagi  menjadi  beberapa  bagian  yaitu:  1  perangkat Coordinator pada Master  Station  (MS) dan  2 perangkat End  Device pada  masing-masing  titik  unit  (RTU).  Sinyal  RSSI  pada  zigbee  dimanfaatkan  untuk  melihat  besar kekuatan penerimaan sinyal pada Coordinator sebagai pengumpul data. Nilai RSSI (-dBm) menjadi semakin kecil pada variasi jarak  maksimal,  ini  berarti  kekuatan  sinyal  yang  terjadi  pada  titik  lompatan  data  semakin  rendah.  Komunikasi  data  berbasis Zigbee untuk  detektor kebakaran sudah dapat dibangun dengan baik pada model join a network yaitu antara Coordinator – End Device pada jarak terjauh dalam ruangan (Indoor) 72,8 meter dengan kekuatan sinyal -73,67dBm.
Kata kunci : Sistem proteksi, aktif dan pasif, wireless sensor network, zigbee, detektor kebakaran .

## I. Pendahuluan

## 1.1 Latar Belakang
Peristiwa    kebakaran    dapat    terjadi dimana  saja  baik  tempat    umum    maupun    di perumahan.    Penyebab    kebakaran  diakibatkan oleh    beberapa    faktor,    antara    lain:    hubungan pendek    instalasi  listrik,    kebocoran    gas, puntung rokok, dan sebagainya. Pada umumnya, kebakaran  diketahui    jika  keadaan  api  sudah mulai membesar atau asap hitam telah mengepul keluar  dari  bangunan.  Sistem  keamanan  pada bangunan    (gedung    atau    di    perumahan) dibutuhkan  dikarenakan    bahaya    kebakaran datang    tidak  mengenal    waktu,    sehingga pencegahan    dini    dapat  menghilangkan munculnya  kebakaran,  dan  kerugian  materiil maupun nonmateriil dapat dihindari.
Peralatan pendeteksi dini kebakaran  yang dibuat menggunakan tiga buah sensor yaitu sensor asap, sensor  titik  api  dan  sensor  suhu.  Sistem  akan bekerja  ketika  salah  satu  dari  ketiga  sensor tersebut mendeteksi adanya gejala akan terjadinya kebakaran. Keluaran dari sensor ( End Divice )  langsung  diteruskan  ke Coordinator untuk ditampilkan pada monitor pendeteksi.

## 1.2 Tinjauan Pustaka
ZigBee    adalah        standar    dari    IEEE 802.15.4    untuk    komunikasi    data    pada    alat konsumen  pribadi  maupun  untuk  skala  bisnis. ZigBee  didesain  dengan  konsumsi  daya  yang rendah    dan    bekerja    untuk    jaringan    personal tingkat    rendah.    Perangkat  ZigBee    biasa digunakan    untuk    mengendalikan    sebuah    alat lain    maupun    sebagai    sebuah    sensor    yang wireless.  ZigBee  memliki  fitur  dimana  mampu mengatur  jaringan  sendiri,  maupun  mengatur pertukaran  data  pada  jaringan  (Ahamed  2005). Kelebihan dari ZigBee lainnya adalah
membutuhkan  daya  rendah,    sehingga    bisa digunakan    sebagai    alat    pengatur    secara wireless  yang    penginstalan  hanya    perlu
dilakukan    sekali,    karena    hanya    dengan    satu baterai  dapat  membuat  ZigBee bertahan hingga setahun.  ZigBee    adalah    spesifikasi    untuk protocol  komunikasi    tingkat    tinggi  yang mengacu    pada    standart    IEEE    802.15.4    yang berhubungan  dengan    wireless    personel    area networks    (WPANs).    Teknologi    dari    ZigBee sendiri  dimaksudkan    untuk    penggunaan pengiriman    data    secara    wireless    yang membutuhkan transmisi  data  rendah  dan  juga konsumsi  daya  rendah,  dan  juga  tidak  lebih mahal  dibandingkan    dengan    WPANs    lain seperti  Bluetooth.
.  Penekanan  dalam  penelitian  ini  terletak pada proses transfer data dari sensor suhu, sensor titik  api  dan  sensor  asap  ke  pusat  kontrol. Transfer data dalam hal  ini dimaksudkan adalah kecepatan  transfer  data  dan  kekuatan  sinyal dengan  jarak  terjauh  yang  bisa  dijangkau  oleh zigbee tersebut.

## II. Metode Penelitian

## 2.1 Objek Penelitian
Ada  dua  hal  yang  akan  menjadi  objek penelitian kita yaitu :
a. Rangkaian sensor kebakarannya
b. Zigbee  sebagai  piranti  pengirim  dan penerima data.
Mulai Merancang Rangkaian Pembaca Data Suhu, RSSI dan Jarak Mengatur Konfigurasi Jaringan Modul Xbee berbasis Zigbee
Pengaturan serta Pembentukan Protokol Komunikasi dalam bentuk Model Kerja API serta Pengujian Penerimaan Paket API pada Titik End Device dan Coordinator Selesai
Gambar 2.3 Draf urutan penelitian
2.2 Rangkaian Sensor Kebakaran
2.2.1   Rangkaian Sensor Suhu Rangkaian sensor suhu beserta penguatnya yang dibuat seperti pada gambar 2.1
Gambar 2.1 Sensor LM 35 beserta penguat sinyal Sensor  suhu  yang  digunakan  dalam peralatan  ini  adalah  IC  LM35DZ  Alasan digunakannya  IC  ini  karena  mempunyai  sifat linier  terhadap  perubahan  suhu,  sebesar  10mV tiap kenaikan satu derajat celcius.
2.2.2   Rangkaian Sensor Titik Api
Gambar 2.2 Rangkaian deteksi titik api
Deteksi titik api menggunakan kombinasi  sebuah  photodiode   dan  sebuah  IC LM358N.  Saat  ada  intensitas  cahaya  datang maka    transistor  akan  saturasi    tetapi  saat    tidak ada  cahaya  yang  mengenai  fototransistor  maka tidak  terjadi  aliran  arus  dari  kolektor  ke  emitor, pada  saat  ini  transistor  dalam  kondisi  cut-of sehingga  kondisi  kaki  kolektor  berlogika  tinggi. Sebaliknya  pada  saat  photodiode  menerima cahaya  maka  terjadi  aliran  arus  dari  kaki kolektor  ke  emitor  sehingga  kaki  kolektor berlogika  rendah.  Keluaran  dari  kaki  kolektor dimasukkan ke bagian masukan komparator.
Jika    tidak    terdapat    cahaya,    keluaran rangkaian    pendeteksi    akan    berkisar    0,22  V maka  keluaran  ini  akan dibandingkan  dengan tegangan  referensi  0,3  V  sehingga  komparator akan    berlogika    tinggi.    Jika    terdapar    asap, keluaran  rangkaian  pendeteksi  akan  lebih  dari  2 V  maka  keluaran  ini  akan  dibandingkan  dengan tegangan  referensi  sehingga  komparator  akan berlogika rendah.

## 2.2.3 Rangkaian Sensor Asap
Prinsip  umumnya  sensor  asap  berfungsi untuk  mendeteksi  keberadaan  asap  di  udara. Namun,  dalam  perkembangannya  aplikasi  yang sama  sekali  tidak  menggunakan  komponen sensor  asap  pun  juga  bisa  dikatakan  sebagai sensor asap. Walaupun dengan kemampuan yang berbeda. Sensor  ini  dapat  mengenali  perubahan udara  yang  disebabkan  khususnya  oleh  asap. Dimana  untuk  jenis  sensor  asap  tertentu  juga dapat  mendeteksi  kandungan  apa  saja  yang terdapat dalam asap tersebut.
Prinsip  kerja  sensor  asap,  sensor  akan  terus menerus  memancarkan  cahaya  ke  sebuah  LDR /penerima.  Apabila  kekuatan  cahaya  berkurang sampai nilai tertentu maka LDR akan mendeteksi adanya asap. Apabila ada asap dalam
jumlah  yang  tertentu  maka  sinar  akan  terhalang menuju  LDR  dan  LDR  akan  menruskan  data  ke tampilan  HMI  yang  menunujukkan  kondisi  ada asap.

## Gambar 2.4 Rangkaian Sensor Asap

## 2.3 Zigbee  Sebagai  Piranti  Pengirim  dan Penerima Data.
Protokol  komunikasi  ZigBee  terdiri  atas beberapa  dua sub  stack dan  satu application layer yang  mendefinisikan  bagian  perangkat lunak  modul. Stack pertama,  didefinisikan berdasar pada karakteristik standarisasi perangkat  keras  oleh  IEEE  802.15.4  termasuk lapisan  fisik  dan MAC  (Physical  and  Media Access  Control  layer). Pada stack kedua dikembangkan  oleh ZigBee  Alliance dan termasuk dalam lapisan jaringan yang
mendukung topologi penjaluran pilihan keamanan  yang  diadopsi  oleh customer dalam bingkai  yang  disebut  API  seperti  yang  ditunjuk pada gambar 2.5
Gambar 2.5  Arsiktektur Stack ZigBee
Tabel  1  Lebar  Frekwensi  dan  Kecepatan  Data pada Zigbee
Seperti  yang  ditunjukan  pada  tabel  1, teknologi  ini  memiliki  keunggulan  diantaranya adalah  ketahanan  batere  hingga  lebih  dari  3 tahun, kemudian jumlah titik dalam satu jaringan yang  dapat  mencapai  64.000  titik  serta  cakupan jangkauan  transmisi  mencapai  1600  meter dengan antena berpenguatan tinggi.
Dilihat dari beberapa keunggulan serta kebutuhan  yang  diinginkan  pada  penelitian  ini, maka penggunaan teknologi ZigBee
dimungkinkan dapat digunakan untuk melengkapi  penelitian  ini  sehingga  komunikasi data  pada  detektor  kebakaran  tanpa  operator  ini dapat  berjalan  dengan  baik.  Pembacaan  dan pengukuran  data  pada  detektor  dan  kemudian akan  dikirimkan  ke  stasiun  pemantauan  melalui radio  frekuensi  (RF)  berbasis  teknologi  ZigBee seperti ditunjukan pada gambar 2.5
Prinsip  kerja  pengiriman  dan  penerimaan data  dari  modul Wireles s  XBee-PRO  dapat dilihat pada gambar 2.6 berikut ini.
Gambar 2.6 Ilustrasi Prinsip Kerja Modul

## XBee-PRO
Dari  gambar  2.6  dapat  dilihat  bahwa  pin- pin  (Tx)  dan  (Rx)  dari  mikrokontroler  dapat dikoneksikan  langsung  ke  pin  DIN  dan  DOUT pada Zigbee . Data yang masuk ke Zigbee melalui DIN akan disimpan terlebih dahulu di DI Buffer dan  RF  Tx  Buffer  sebelum  ditransmisikan  via port antena  menuju  zigbee  lainnya.  Begitu  juga sebaliknya  dengan  data  yang  diterima  melalui port antena.  Untuk  lebih  jelasnya  dapat  dilihat pada gambar 2.7 berikut ini:
Gambar 2.7 Alur Data Internal Pada Modul XBee-PRO
Karena standar ZigBee merupakan standar  yang  meliputi  Layer  1  ( Physical )  dan Layer  2  (MAC)  maka  ZigBee  bekerja  dengan cara  mengirimkan  suatu data  frame .  Besar data frame yang  dikirimkan  bervariasi,  tergantung dari  jenis  pengalamatan  yang  digunakan  dan data  payload yang  dikirimkan.  Jika  akan mengirimkan  1  oktet  data  dengan  menggunakan jenis  pengalamatan  yang  paling  sederhana  (4 oktet)  maka  besar data  frame yang  akan dikirimkan untuk itu adalah sebesar 16 oktet.
Gambar 2.8 Struktur data frame dari Zigbee
End Device 1 End Device 2 Coordinator 100 Meter Mengirim karakter “a” Menerima data RSSI
Gambar  2.8    Konfigurasi  Sistem  Pengiriman dan Penerimaan Data.
Pada  setiap  pengiriman  data  disertakan  suatu Frame  Check  Sequence (FCS)  sebesar  2  oktet. FCS  berfungsi  sebagai  indikator  apakah  data yang  diterima  valid  atau  tidak. End  Device  1 Jika mengirimkan acknowledge  frame untuk memberitahu pengirim bahwa data yang diterima valid. Pengiriman acknowledge frame ini bersifat opsional sesuai dengan permintaan pengirim.
Gambar 2.9 Struktur acknowledge frame dari Zigbee

## 2.4       Alat dan Bahan Penelitian
Alat  penelitian  yang  akan  digunakan  meliputi piranti  perangkat  keras  dan  perangkat  lunak yaitu sebagai berikut:
a. Perangkat Keras:
1) Laptop  Toshiba  satellite  L645, Intel Core 2 Duo Processor (2.00 GHz),  2GB  DDR  dan  250GB HDD.
2) Xbee Pro 2,4GHz
3) Detektor kebakaran (Sensor
Suhu,  sensor  titik  api  dan  sensor asap)
b. Perangkat Lunak
Software pendukung dalam perancangan diantaranya:
1) CodeVision AVR
2) Microsoft Visual Basic 6
3) Zigbee Operator

## III. Hasil dan Pembahasan

## 3.1 Pengujian  Kekuatan  Sinyal  yang diterima Coordinator
Data  hasil  grafik  pengukuran  kekuatan sinyal  pada  lantai  I  terhadap  jarak  dengan  jarak ukur mulai dari 6 meter sampai 61 meter dengan mengelilingi  ruangan  disekitar  gedung  lantai pertama.
Grafik 3.1 Hubungan Jarak Terhadap Besaran Sinyal yang diterima Coordinator
Dalam    grafik    tergambar    bahwa    nilai kekuatan  sinyal    tertinggi    yaitu    -45,5    dBm    pada jarak    61  meter.    Pada    jarak    46    meter,    nilai terendah  kekuatan  sinyal  pada  End  Device  berganti menjadi -63,83 dBm.
Grafik  3.2 Hubungan  Jarak  Terhadap  Besaran Sinyal yang diterima Coordinator
Dalam    grafik    tergambar    bahwa    nilai kekuatan  sinyal  tertinggi   yaitu   -54,16  dBm  pada jarak    61    meter.    Pada    jarak    41,9    meter,    nilai terendah  kekuatan  sinyal  pada  End  Device  berganti menjadi -75,0 dBm.
Grafik  3.3 Hubungan  Jarak  Terhadap  Besaran Sinyal yang diterima Coordinator.
Dalam  grafik  tergambar  bahwa  nilai  kekuatan sinyal  tertinggi  yaitu  -53,5  dBm  pada  jarak  32,8 meter.    Pada    jarak    37,8    meter,    nilai  terendah kekuatan sinyal pada End Device berganti menjadi  - 85,16 dBm.
Grafik  3.4  Pengujian  hubungan  jarak  terhadap kekuatan  sinyal/RSSI  (-dBm)  diluar  ruangan (Outdoor).
Dari  hasil  grafik  data  yang  kita  dapatkan  dapat kita analisa sebagai berikut :
a. Bahwa  semakin  bertambah  jarak  maka kekuatan sinyal/RSSI yang diterima semakin kecil.
b. Kekuatan  sinyal/RSSI  dalam  ruangan  dan diluar  ruangan  menunjukkan  karakteristik yang  sama  yaitu  semakin  jauh  jaraknya maka kekuatan sinyalnya semakin mengecil.
c. Dari hasil perbandingan kekuatan sinyal/RSSI  baik  didalam  ruangan  maupun diluar  ruangan  menunjukkan  bukan  karena kesalahan  software  tetapi  lebih  dari  hasil pengukuran sebenarnya.
d. Ketidaklinieran  grafik  pada  percobaan indoor  diakibatkan  oleh pengukuran  dengan perubahan  kedudukan  posisi End  Device, kondisi cuaca, interferensi dan adanya halangan berupa dinding
3.2 Integrasi  Data  Ke  HMI  ( Human  Machine Intervice )
Pada  tahapan  terakhir  adalah  pengujian dan  penerapan  paket  data  serial  ZigBee  pada HMI (Human  Machine  Interface) yang  dibangun menggunakan  Visual  Basic  6.0.  Pada  tahapan
pengujian  sederhana  dibuat  tampilan  program penerima  data  serial  dari End  Device ke Coordinator . Pengiriman data serial  berisi  paket identitas  API Rx  I/O  Data  Received yaitu perangkat End  Device mengirimkan  data  sensor ke Coordinator .
Gambar 4.5 Penerima Data Serial Sistem Pemantau Suhu Berbasis WSN
Hasil  pemantauan  pada  monitor  menunjukkan keadaan real pada kondisi didalam ruangan yang menampilkan nilai suhu, kekuatan sinyal (RSSI) dan  kondisi  ruangan  (Aman,  ada  asap,  atau  ada titik api).

## IV. Kesimpulan dan Saran

## 4.1 Kesimpulan
Komunikasi  data  pada  setiap  sensor (sensor  titik  api,  suhu,  dan  asap)  kebakaran dengan  menggunakan  perangkat Transceiver XBee  2,4GHz  berbasis  ZigBee  secara  umum sudah  dapat  dibangun  untuk  proses  pengiriman data  parameter  kebakaran  dan  pengendalian jarak  jauh  dengan  menempatkan  2  titik  sebagai End  Divice yang  berfungsi  mencuplik  data sensor  pada  detektor,  dan 1  titik  sebagai Coordinator yaitu  yang  terhubung  langsung dengan komputer sebagai media penampil sistem pemantauan  suhu  dengan  jalur  komunikasi UART  mode  pemrograman API(Application Programming Interface) .
Hasil  uji  jarak  dan  kekuatan  sinyal  pada  titik perangkat Radio XBee berbasis ZigBee menghasilkan  jarak  terjauh  dalam  komunikasi data  sejauh  70,8  meter  (Indoor)  dalam  mode bergabung  ke  jaringan  kembali (join  a  network) dalam  waktu  antara  10-11  detik.    Pada  jarak  ini implementasi  komunikasi  data  pada  sistem detektor  kebakaran  dapat  diterapkan  dengan baik.

## 4.2 Saran
Pada  tahapan  penerapan  perangkat  perlu diperhatikan  kondisi  penempatan  sensor  dalam ruangan agar proses pemantauan kondisi ruangan agar  dapar  bekerja  dengan  optimal  dan menghasilkan  data  yang  presisi.  Perancangan sistem  catu  daya  untuk  tenaga  perangkat  XBee dapat  dibuat  semaksimal  mungkin  agar  dalam penerapannya betul – betul dapat mencatu sistem secara  maksimal  dan  disertai  dengan  sistem pengisian  secara  berkala  dan  otomatis  seperti pemasangan  sistem  catu  daya  menggunakan Solar Sel dengan daya cukup rendah.
Selain perancangan catu  daya  yang perlu diperhatikan  juga  kita  harus  memperhatikan model  pengemasan  rangkaian  elektronis  pada detektor  dalam  hal  ini  adalah  sensor  dan komponen  elektronisnya.  Sehingga  kemasan rangkaian  elektronis  juga  dapat  dibuat  tahan terhadap  cuaca  panas  bahkan  tetap  terjaga  agar tidak  terkena  sinar  matahari  ataupun  tetesan hujan  secara  langsung.  Kestabilan  suhu  kerja pada  bagian  sistem  elektronis  komunikasi  data akan  menjadikan  kinerja  perangkat  dalam membangun komunikasi data menjadi lebih baik.
Memberikan kesempatan untuk melakukan penelitian berikutnya dengan menambah lebih banyak End Device dan Router agar  jangkauan  dapat  lebih  jauh  lagi.  Adapun XBee yang digunakan ada baiknya menggunakan  XBee  Pro  seri  2  agar  topologi yang digunakan dapat bervariasi.

## Daftar Pustaka
[1]  Ahamed,S.S.Riaz.2005,  The  Role  of  Zigbee Technology in Future Data Communication System, sathak Institute of Technology.
[2]Eady, Fred.
“Hands-On ZigBee Implementing 802.15.4 with Microcontrollers”, Elsevier Ltd, 2007. [3]  Faludi,  Robert.,  “ Building  Wireless  Sensor
Network”, O’Reilly  Media,  Inc.,  1005
Gravenstein  Highway  North,  Sebastopol, CA 95472, (pp.100 – 101).
[4]  Farahani, Shahin., “ ZigBee Wireless Networks  and  Transceivers”,  Elsevier
Ltd,  2008. Galitz,  W.  O.  (2007). The Essential Guide to User Interface Design
An Introduction to GUI
Design
Principles  and  Techniques. Indiana, Canada: Wiley Publishing, Inc.
[5]  Gislason,  Drew.  2008. ZigBee  Wireless Networking