Abstrak—Dalam  beberapa  tahun  terakhir,  Wireless  Sensor Network (WSN) mendapatkan banyak  perhatian dalam bidang aplikasi  monitoring  dan  kontrol  baik  pada  lingkungan  hidup maupun industry. Sebagai salah satu jenis komputasi pervasive menggunakan  jaringan  sensor,  WSN  menyediakan  beberapa keuntungan  baik  dalam  segi  fungsi  maupun  biaya.  Pada makalah ini sudah dibuat sebuah sistem untuk mengawasi dan mengevaluasi  kualitas  air  secara  real  time,  dimana  nantinya sistem  akan  menganalisis  data  dari  jaringan  sensor  nirkabel yang  tersebar  yang  berbasis  pada  teknologi  ZigBee.  Sistem monitoring  kualitas  air  ini  menggunakan  mikrokontroler Arduino Uno. Kemudian untuk mendapatkan data kualitas air, sistem  monitoring  ini  menggunakan  beberapa  sensor,  yaitu sensor  Gravity  TDS  Meter,  dan  sensor  temperatur  tahan  air DS18B20.  Adapun  untuk  berkirim  data  antar  node,  sistem  ini memanfaatkan  modul  XBee  S2  Pro,  dan  mengirim  data  ke server  menggunakan  Python.  Sistem  ini  diuji  coba  mulai  dari uji  coba  fungsionalitas  menggunakan  beberapa  scenario  yang telah  ditentukan.  Semua  node  router  dapat  mengoperasikan sensornya  dengan  baik,  membacanya  kemudian  mengirimkan datanya ke node coordinator. Node coordinator dapat membaca data yang dikirimkan kepadanya dengan baik, untuk kemudian dikeluarkan  data  serialnya.  Script  Python  kemudian  akan membaca data serial yang dikeluarkan oleh node coordinator, untuk  kemudian  dikirimkan  ke  server.  Dari  server  data disimpan,  kemudian  ditampilkan  dalam  bentuk  tabel  dan grafik.
Kata  Kunci—  Kualitas  Air,  Mikrokontroler,  Sensor,  Wireless Sensor Network

## I. PENDAHULUAN
UALITAS air yang menurun sedang menjadi isu global sangat  diperhatikan  dunia.  Hal  ini  lama  kelamaan muncul  karena  populasi  manusia  yang  terus  bertumbuh, berkembangnya industri dan agrikultur, dan perubahan iklim. Jika  diambil  secara  global,  masalah  mengenai  kualitas  air yang biasanya terjadi adalah eutrofikasi, dimana didalam air terdapat kandungan nutrisi yang berlebih, terutama fosfor dan nitrogen. Hal ini menyebabkan banyaknya hewan dalam air yang mati akibat kekurangan oksigen [1]. Maka dari itu, air yang  sudah  terkena  dampak  eutrofikasi  juga  tidak  bisa digunakan oleh manusia dengan baik. Kualitas air yang buruk dapat  berdampak  pada  kurangnya  air  yang  bisa  digunakan dalam  banyak  hal  dalam  suatu  wilayah.  Air  yang  terpolusi tidak bisa digunakan untuk minum, mandi, ataupun bercocok tanam.
Jaringan  sensor  nirkabel,  atau Wireless  Sensor  Network (WSN)  adalah  sekumpulan  sensor  yang  saling  bekerjasama dalam  sebuah  jaringan  untuk  mengawasi  satu  lingkungan yang  luas.  Didalam  jaringan  ini  node  sensor  tidak  hanya
saling  berkomunikasi  satu  sama  lain,  melainkan  mereka berkomunikasi  dengan  sebuah Base  Station (BS)  secara nirkabel.
Kemampuan  masing-masing node sensor  dalam  WSN dapat  bervariasi,  seperti  misalnya, node bersensor  yang digunakan dirancang untuk hanya dapat merekam satu jenis data,  atau  ada  juga node lain  yang  dapat  merekam  lebih banyak data dengan kombinasi beberapa sensor. Node yang berada  dalam  jaringan  ini  juga  dapat  menggunakan  pilihan komunikasi  yang  berbeda,  misal,  menggunakan ultrasound , inframerah, atau frekuensi radio [2].
Dalam implementasi jaringan sensor nirkabel, node sensor dapat  berkomunikasi  menggunakan  beberapa  metode  yang berbeda.  Dalam  makalah  ini node sensor  yang  ada  akan berkomunikasi  menggunakan  protokol ZigBee .  ZigB ee sendiri merupakan sebuah standar komunikasi nirkabel yang dikembangkan  dari  standar  IEEE  802.15.4.  Peralatan  yang

## Rancang Bangun Jaringan Sensor Nirkabel Berbasis ZigBee untuk Kasus Monitoring Kualitas Air pada Lingkungan Terdistribusi
Benito Danneswara Widyatama, dan Waskitho Wibisono Departemen Informatika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
e-mail : waswib@if.its.ac.id
K
digunakan untuk menggunakan protokol ZigBee adalah XBee Shield yang  dipasangkan  tepat  diatas  mikrokontroler,  dan modul XBee Pro S2 yang dipasangkan di XBee Shield pada masing-masing node .
Untuk  sensor  yang  digunakan node ,  akan  digunakan  dua jenis  sensor.  Sensor  pertama  adalah  Gravity  TDS  Meter. Sensor ini berguna untuk mendeteksi konduktivitas elektrik yang dimiliki air, untuk kemudian dihitung bersama dengan temperatur  air  untuk  menghasilkan  nilai particle  per milimeter (ppm)  pada  air.  Sementara  itu,  akan  digunakan sensor temperatur tahan air DS18B20 untuk mendeteksi suhu pada air.
Pada  makalah  ini,  penulis  mengusulkan  salah  satu  cara untuk melakukan pengawasan pada kualitas air dengan cara membuat sistem jaringan sensor nirkabel dengan menggunakan protokol ZigBee , dengan menggunakan sensor TDS Meter dan sensor temperatur tahan air.

## II. ANALISIS DAN PERANCANGAN
Pada bagian ini akan dijelaskan analisis dan rancangan keseluruhan dari sistem pengawasan kualitas air pada lingkungan terdistribusi yang menggunakan jaringan sensor nirkabel berbasis ZigBee .

## A. Rancangan Sistem
Pada  perancangan  sistem,  sistem  pemantau  kualitas  air akan dibuat menggunakan alur komunikasi jaringan nirkabel, dimana mikrokontroler yang tersambung dalam satu jaringan akan menjadi satu kesatuan sistem yang saling berkomunikasi
menggunakan  protokol  komunikasi ZigBee .  Pada  tahap komunikasi  sistem,  sistem  akan  menggunakan  teknologi Wireless Sensor Network berbasis ZigBee. Untuk itu, setiap node akan menggunakan perangkat XBee S2 Pro yang akan berperan  membantu  komunikasi  antar node dengan  standar komunikasi ZigBee. Pada  sistem  ini  akan  dibutuhkan  dua jenis  node,  yaitu node  Coordinator dan node  Router . Perangkat node  Router berfungsi  untuk  membaca  kondisi part per milimeter (ppm) dan temperatur air, yang mana akan dilakukan  pengecekan  secara  simultan. Node ini  akan menggunakan  dua  buah  sensor  dan  modem XBee . Selanjutnya, data yang telah direkam oleh node Router akan dikirimkan ke node Coordinator . Setelah data diterima oleh node  Coordinator ,  data akan dikeluarkan secara serial oleh node  Coordinator ,  dimana  nanti  akan  ditangkap script Python untuk dikirimkan kepada server .
Gambar 1 merupakan alur data pada seluruh sistem yang menjelaskan  seluruh  aliran  progress  sistem  dari  mulainya inisialisasi sensor hingga munculnya data di website . Gambar 2 merupakan rancangan arsitektur detail sistem. Pada sistem monitoring  kualitas  air  ini  akan  menggunakan  3  buah mikrokontroler Arduino  Uno .  Pada  semua  mikrokontroler akan dilengkapi dengan modul ZigBee Pro S2, yang dipasang diatas Xbee  Shield yang  dipasangkan  tepat  diatas Arduino Uno . Salah satu mikrokontroler akan bertindak sebagai node coordinator sementara yang lainnya bertindak sebagai node router yang  tersambung  dengan node  coordinator menggunakan  jaringan ZigBee .  Untuk node  router ,  akan dipasang  juga  dua  sensor  untuk  mengukur  kondisi  air,
Gambar 2. Rancangan Arsitektur Detail Sistem
sementara  itu  untuk node  coordinator hanya  akan  dipasang modul  Xbee  dan  shieldnya  saja,  sementara node itu tersambung ke komputer.

## B. Rancangan Node Router
Dalam  sistem  pengawasan  kualitas  air  dengan  jaringan berbasis  nirkabel, node  router merupakan  salah  satu  jenis node dari  WSN  yang  memiliki  tugas  besar  dalam  jaringan . Node ini  akan  dilengkapi  dengan  sebuah  mikrokontroler Arduino  Uno ,  sensor  TDS  Meter  dan  suhu,  sebuah XBee Shield serta modem XBee S2 Pro. Tabel 1 akan menunjukkan spesifikasi  dari  sensor  yang  akan  digunakan  dalam node router ini.
Untuk alur penyusunan peralatannya, awalnya XBee Shield dipasangkan tepat diatas mikrokontroler. Kemudian modem ZigBee dipasangkan di tempat yang disediakan pada shield . Kemudian  untuk  pemasangan  sensor,  untuk  sensor  TDS langsung  tersambung  pada  mikrokontroler.  Untuk  sensor suhu, kabel dari sensor suhu dipasangkan pada breadboard , setelah itu dipasang resistor 4.7k diantara kabel data dan vcc, setelah  itu  masing-masing  disambungkan  ke Arduino .  Pada Gambar 3 akan ditunjukkan arsitektur dari node router , dan pada Gambar 4 akan ditunjukkan hasil dari rancangan node Router .

## C. Rancangan Node Coordinator
Dalam  sistem  pengawasan  kualitas  air  dengan  jaringan berbasis  nirkabel, node  coordinator merupakan  salah  satu
jenis node dari  WSN  yang  paling  penting  dalam  jaringan. Node ini bertugas untuk menerima data yang dikirimkan dari node-node r outer . Node ini akan dilengkapi dengan sebuah mikrokontroler Arduino  Uno ,  sensor  TDS  Meter  dan  suhu, sebuah XBee  Shield serta  modem  XBee  S2  Pro.  Kemudian node  coordinator akan  disambungkan  dengan  komputer menggunakan  kabel.  Pada  Gambar  5  akan  ditunjukkan arsitektur  dari node  Coordinator ,  dan  pada  Gambar  6  akan ditunjukkan hasil dari rancangan node Coordinator .

## D. Rancangan Aplikasi Anatmuka Sistem
Pada  penelitian  ini  akan  dirancang  antarmuka  untuk menampilkan data yang tersimpan dalam server. Antarmuka ini  dirancang  menggunakan  MySQL,  PHP,  HTML,  dan JavaScript. Antarmuka ini akan menunjukkan halaman awal, dimana ditunjukkan data terakhir yang terekam dalam server , beserta  kondisi  dari  air  berdasarkan  data  terkahir  yang dimiliki node tersebut.  Antarmuka  ini  juga  dapat menunjukkan  semua  rekaman  data  yang  ada  dalam server , bersama  dengan  grafik  yang  menunjukkan  salah  satu  data. Contoh dari antarmuka dapat dilihat di Gambar 7 dan 8.
Tabel 1. Daftar Spesifikasi Sensor No. Sensor Merk Model Range / Jarak 1 EC / TDS DFRobot SEN0244 0 ~ 1000ppm 2 Temperature DFRobot DS18B20 -55 ~ 125℃ Gambar 3.  Arsitektur dari Node Router
Gambar 4.  Hasil Perancangan Node Router Gambar 5.  Arsitektur dari Node Coordinator
Gambar 6.  Hasil Perancangan Node Coordinator
Gambar 7. Antarmuka Halaman Awal

## III. PENGUJIAN
A. Pengujian Komunikasi Node ZigBee Router dan Node

## ZigBee Coordinator
Pengujian ini memiliki tujuan yaitu menyambungkan node ZigBee Router dengan ZigBee Coordinator . Pengujian fungsi komunikasi  ini  dilakukan  dengan  cara  semua node  ZigBee Router mengirimkan data pembacaan sensor yang dihasilkan oleh masing-masing node ZigBee Router . ZigBee  Coordinator akan  menampilkan  data  dari  kedua node router dalam serial monitor . Data dari setiap node akan ditandai  dengan  angka  awal  pada  setiap  baris  data  yang masuk.  Angka  1  berarti  data  berasal  dari node  router 1, sedangkan angka 2 berasal dari node router 2. Gambar 9 akan menunjukkan  hasil  dari  pengujian  komunikasi  antar node router dengan coordinator .
B. Pengujian Pengiriman Data Keapada Server
Pada  pengujian  ini  memiliki  tujuan  yaitu  mengirimkan data  yang  diterima node  coordinator kepada server. Pengujian  pengiriman  data  dari node  ZigBee  Coordinator kepada server dilakukan  dengan  cara node  ZigBee mengirimkan data ke database server dengan menggunakan
sc ript Python yang menggunakan cursor dan dbConn yang telah dipersiapkan. Kondisi awal adalah diaktifkannya node ZigBee  Coordinator .  Kemudian node  ZigBee  Coordinator menerima data yang dikirim oleh semua node router . Setelah menerima  datanya, node  coordinator akan  mengeluarkan data yang dibaca secara serial . Data serial yang dikeluarkan node router akan ditangkap oleh script Python yang berjalan, dan kemudian akan dikirimkan ke tabel dalam server sesuai asal node menggunakan library  dbConn .  Hasilnya  dapat dilihat  di website ,  dengan  data  terbaru  dari  kedua node ditampilkan di halaman utama. Para Gambar 10 dan Gambar 11 akan ditampilkan hasil dari percobaan tersebut.

## C. Pengujian Performa Sistem
Pengujian  dilakukan  untuk  mengetahui  seberapa  akurat dan  tepat  sistem  yang  dibangun.  Uji  coba  performa  sistem yang  dilakukan  meliputi  berapa  keputusan  yang  dihasilkan bersesuaian dengan kondisi sebenarnya, seberapa lama delay yang  dibutuhkan  untuk  sistem  peringatan,  dan  seberapa banyak sistem peringatan yang bekerja dengan semestinya.
Pada  uji  coba  performa  ini  dilakukan  sebanyak  sepuluh kali percobaan. Di setiap uji cobanya, dibuat skenario pada 1 menit pertama untuk kondisi air biasa, kemudian setelahnya dikondisikan  terjadi  penambahan  kadar  garam,  dan setelahnya  lagi  dikondisikan  tambahan  kadar  garam  lagi. Pada  setiap  aktifitas  tambahan,  seharusnya  sistem  akan
Gambar 8.  Antarmuka Tabel dan Chart
Gambar 9. Hasil Uji Coba Komunikasi Antar Node ZigBee
Gambar 10. Percobaan Node Router Mengirim Data ke Server
Gambar 11. Percobaan Node Router Mengirim Data ke Server , Data Berhasil Masuk ke Server
Tabel 2. Hasil Ujicoba Performa Pertama Ujicoba Performa - Pertama Keadaan Waktu Terjadi Pergantian Status N1 Pergantian Status N2 Server Terima Normal 06.21 - - 06.21 Tambahan#1 06.22 06.23 06.24 06.23 Tambahan#2 06.23 06.24 - 06.24 Tabel 3. Hasil Ujicoba Performa Kedua Ujicoba Performa - Kedua Keadaan Waktu Terjadi Pergantian Status N1 Pergantian Status N2 Server Terima Normal 06.42 - - 06.42 Tambahan#1 06.43 06.44 06.43 06.43 Tambahan#2 06.44 06.45 06.45 06.45 Tabel 4. Hasil Ujicoba Performa Ketiga Ujicoba Performa - Ketiga Keadaan Waktu Terjadi Pergantian Status N1 Pergantian Status N2 Server Terima Normal 06.54 - - 06.54 Tambahan#1 06.55 06.55 06.55 06.55 Tambahan#2 06.56 06.56 06.56 06.56
memberi  tampilan  naiknya  kondisi  air  dari  bagus  menjadi sedang  setelah  terjadinya  pengiriman  data  ke server . Kemudian  jika  kadar  garam  ditambah  lagi,  tampilan  yang ditampilkan  pada  halaman  web  akan  berbeda,  yaitu menginformasikan  kondisi  air  lebih  buruk  daripada sebelumnya.  Hasil  pengujian  performa  sistem  dapat  dilihat pada Tabel 2 – Tabel 11.
Dengan  menganalisis  semua  pengujian  performa  yang telah  dilakukan,  maka  didapatkan  akurasi  untuk  sistem monitoring kualitas air ini. Untuk menentukan besaran nilai akurasi  dan  presisi  sistem,  maka  dibuat  pembagian  seperti yang ditunjukkan Tabel 12 dan Tabel 13.
TP = True Positive FN = False Negative FP = False Positive TN = True Negative
𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑖 = 𝑇𝑃 𝑇𝑃 + 𝐹𝑃
𝐴𝑘𝑢𝑟𝑎𝑠𝑖 = 𝑇𝑃 + 𝑇𝑁
𝑇𝑃 + 𝑇𝑁 + 𝐹𝑃 + 𝐹𝑁 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑖 = 36 36 + 4 = 0.9 = 90% 𝐴𝑘𝑢𝑟𝑎𝑠𝑖 = 36 + 10 36 + 10 + 4 + 0 = 0.92 = 92%
Berdasarkan data dan perhitungan diatas, nilai presisi dari
sistem  yaitu  90%,  dan  nilai  keakuratan  keseluruhan  sistem dalam menampilkan keputusan yang benar yaitu 92%.

## IV. EVALUASI
Berikut  adalah  evaluasi  dari  hasil  pengujian  yang  telah dilakukan:  (1) Node  Router dapat  merekam  data  sensor  dari sensor  suhu  dan  TDS  dengan  baik. Node  router kemudian dapat mengirim data hasil perekaman ke node Coordinator ; (2) Script  Python dapat  berfungsi  dengan  baik  untuk menangkap  data  serial yang dikeluarkan node  Coordinator , untuk kemudian memasukannya ke database server ; (3)Dari pengujian performa sistem berhasil menampilkan perubahan kondisi pada kualitas air pada suatu node dengan tepat waktu sebanyak  92%.  Sedangkan  ada  beberapa  waktu  dimana terjadi delay pada pengiriman data ke server .

## V. KESIMPULAN
Setelah melakukan perancangan dan pengujian pada sistem pengawasan  kualitas  air  menggunakan  jaringan  nirkabel berbasis ZigBee , pada makalah ini dapat diambil kesimpulan sebagai  berikut:  (1)Sistem  sudah  berhasil  menyediakan rancangan  sistem  pengawasan  kualitas  air  menggunakan jaringan  sensor  berbasis  nirkabel  berbasis ZigBee .
Tabel 5. Hasil Ujicoba Performa Keempat Ujicoba Performa - Keempat Keadaan Waktu Terjadi Pergantian Status N1 Pergantian Status N2 Server Terima Normal 07.00 - - 07.01 Tambahan#1 07.02 07.02 07.02 07.02 Tambahan#2 07.03 07.03 07.03 07.03 Tabel 6. Hasil Ujicoba Performa Kelima Ujicoba Performa – Kelima Keadaan Waktu Terjadi Pergantian Status N1 Pergantian Status N2 Server Terima Normal 07.13 - - 07.13 Tambahan#1 07.14 07.14 07.14 07.14 Tambahan#2 07.15 - 07.16 07.16 Tabel 7. Hasil Ujicoba Performa Keenam Ujicoba Performa – Keenam Keadaan Waktu Terjadi Pergantian Status N1 Pergantian Status N2 Server Terima Normal 07.23 - - 07.23 Tambahan#1 07.24 07.24 - 07.24 Tambahan#2 07.25 07.25 07.25 07.25 Tabel 8. Hasil Ujicoba Performa Ketujuh Ujicoba Performa – Ketujuh Keadaan Waktu Terjadi Pergantian Status N1 Pergantian Status N2 Server Terima Normal 07.33 - - 07.33 Tambahan#1 07.34 07.35 07.36 07.35 Tambahan#2 07.36 07.27 - 07.36
Tabel 9. Hasil Ujicoba Performa Kedelapan Ujicoba Performa – Kedelapan Keadaan Waktu Terjadi Pergantian Status N1 Pergantian Status N2 Server Terima Normal 07.43 - - 07.43 Tambahan#1 07.44 07.44 07.44 07.44 Tambahan#2 07.45 07.45 07.45 07.45 Tabel 10. Hasil Ujicoba Performa Kesembilan Ujicoba Performa – Kesembilan Keadaan Waktu Terjadi Pergantian Status N1 Pergantian Status N2 Server Terima Normal 07.53 - - 07.53 Tambahan#1 07.54 07.54 07.54 07.54 Tambahan#2 07.56 07.55 07.55 07.55 Tabel 11. Hasil Ujicoba Performa Kesepuluh Ujicoba Performa – Kesepuluh Keadaan Waktu Terjadi Pergantian Status N1 Pergantian Status N2 Server Terima Normal 08.03 - - 08.03 Tambahan#1 08.04 08.04 08.04 08.04 Tambahan#2 08.05 08.05 08.05 08.05 Tabel 12. Rumusan Confusion Matrix Keputusan Sistem Kondisi Sebenarnya True False True TP FP False FN TN Tabel 13. Confusion Matrix Sistem Monitoring Kualitas Air Keputusan Sistem Kondisi Sebenarnya Terdeteksi Tidak Terdeteksi Terdeteksi 36 4 Tidak Terdeteksi 0 10
Perancangan  dimulai  dari  pembuatan  alur  komunikasi  pada sistem agar komponen yang digunakan saling berkomunkasi satu  sama  lain  sehingga  menghasilkan  sebuah  sistem  yang diharapkan;  (2)Metode  yang  digunakan  untuk  mendeteksi kualitas  air  dapat  dilakukan  dengan  beberapa  node  Router yang mengirimkan data serial menggunakan ZigBee kepada satu node Coordinator yang kemudian mengirimkan datanya kepada server ;  (3)Sistem  dapat  mendeteksi  kualitas  air dengan  mengandalkan  sensor  TDS  Meter  yang  dilengkapi sensor suhu; (4)Sistem dapat memantau kualitas air melalui
aplikasi dengan script python , yang kemudian diolah dalam web.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]  Un  Water,  “UN-water  policy  brief:  water  quality,”  Jenewa,  2011.
[Online].  Available:  https://www.unwater.org/publications/un-water- policy-brief-water-quality/.
[2]  W.  Dargie  and  C.  Poellabauer, Fundamentals  of  Wireless  Sensor Networks: Theory and Practice . John Wiley and Sons, 2010.