## PROBLEM KOMUNIKASI WIRELESS SENSOR NETWORKS UNTUK PEMANTAUAN EKOLOGI LINGKUNGAN
Rony Teguh
Jurusan Teknik Informatika, Fakultas Teknik, Universitas Palangkaraya
Email : ronnyteguh@gmail.com

## Abstract
In  this  paper,  our  system  development  of  wireless  sensor  network  for  ecology  monitoring  in peatland  environment.  In  the  development    the  real  field,    topology  of    sensor  nodes  deployed  in  the peatland  condition.  The  pratical  problem  such  as  aysmteric  link  communication,  unrealible  link communication, Fresnel zone problem and data packet routing can  impact in the wireless sensor network in  sparse  development.  In  this  paper,  our  proposes  identification  of  implementation    issues    in communication practical in the focus on sparse deployment and implementation in the real environment for monitoring ecology.

## 1. Pendahuluan
Wireless  Sensor  Networks (WSNs)  saat ini  sudah  banyak  digunakan:  Aplikasi  yang paling  umum  adalah  untuk  mengumpulkan informasi  lingkungan  dari  wilayah  yang sangat  sulit  terjangkau  seperti  hutan  dan ekologi Porter ( 2005), Gunung Yick (2008), bawah  tanah  Elleithy  (2012)    di  dalam air/laut Lloret(2012), kebakaran hutan Zhang (2009).
Kami  telah  mengembangkan  sebuah sistem  sensor  untuk  mengumpulkan  data suhu termasuk kelembaban di  lahan  gambut hutan  tropis  di  Kalimantan  Tengah  untuk mendeteksi  dan  memantau  kebakaran  hutan dengan mengunakan wireless sensor network dan  pesawat  tanpa  awak  Teguh (2012).
Tujuan  dari  pembangunan  dan  pengujian ini  adalah  untuk  mengembangkan  dan mengujicoba  suatu  permasalahan  yang terjadi  pada  kondisi  sebenarnya  pada jaringan  sensor  dan  dimungkinkan  untuk dikembangkan  sebagai  solusi  terbaik  pada kasus pengumpulan data di hutan dan lahan. Masalah  yang  dapat  dipecahkan  untuk mengatasi permasalahan tersebut meliputi: a. Paket routing : Meskipun banyak algoritma routing yang telah dikembangkan  untuk  WSNs,  beberapa
dari  algoritma  tersebut  telah  diterapkan pada  sistem sensor  network .  Oleh karena  itu,  kami  perlu  memastikan bahwa  algoritma  routing  yang  kami kembangkan  dapat  bekerja  dengan  baik dalam implementasi di kondisi lingkungan  hutan  lahan  gambut  yang memiliki tingkat hambatan banyak.
b. Pembangunan  sensor node dengan tingkat kepadatan yang jarang (sparse): Dalam beberapa literatur yang membahas  wireless  sensor  networks, sering dikembangkan pada model jaringan dengan tingkat  kepadatan  yang rapat ( dense ) namun dengan pertimbangan implementasi pada lingkungan dan biaya, kami mengunakan  model  jaringan  dengan tingkat kepadatan yang jarang
(sparse)Yick (2008; Jiang (2012).
c. Jangkauan tranmisi yang tidak teratur : Banyak peneliti telah membuat asumsi  bahwa  jangkauan  transmisi  dari sebuah node  sensor memiliki  bentuk seperti  melingkar  atau  dapat  diatur radius  komunikasinya.  Akan  tetapi, cakupan sebenarnya adalah tidak teratur dan  dapat  bervariasi  sesuai  keadaan dikondisi  sebenarnya  di  lapangan  yang dipengerahui vegetasi dan halangan.
Pada paper ini akan dijelaskan konfigurasi sistem, perangkat keras dan perangkat lunak yang  digunakan  dalam  sistem  pemantauan lingkungan  yang  kami  telah  dikembangkan, dan  membahas  implementasi  dari  hasil penelitian  ini  dan solusinya, dimana fokusnya  paper  ini  adalah  pada  masalah komunikasi  jaringan sensor  network yang pembangunan  dan  pemasangan  sensor node dengan  tingkat  kepadatan  sangat  jarang (sparse) dan pada setiap node yang memiliki masalah  komunikasi  yang  tidak  beraturan (asimetris).  Pada  paper  ini  dibagi  sebagai berikut. bagian 2 akan menjelaskan gambaran sistem yang digunakan. Bagian 3, kami  akan  menjelaskan  perangkat  lunak ( Software )  yang  digunakan,  pada  bagian  4, kita  akan  mendiskusikan  implementasi  dan solusinya.  Bagian  5  adalah  kesimpulan  dari paper ini.

## 2. Gambaran umum WSN
Sistem  pemantauan  ekologi  lingkungan gambut terdiri dari 7 buah sensor node ( SN ) dan  satu  buah  base-station  ( BS )  yang bertujuan untuk mengevaluasi prototipe dari sistem  sensor node yang  terpasang  di seluruh  lahan  percobaan,  dan  sebuah  base station  yang  terpasang  di  gedung  terdekat sebagai pengumpul informasi dari keseluruhan sensor node .
Base  station  berguna  untuk  menyimpan data  yang dikumpulkan  dari node sensor, di tempat  yang  dapat  diakses  melalui  Internet. Base  station  dapat  juga  mengirimkan kejadian untuk melaporkan peristiwa tertentu secara langsung di lingkungan  yang sebenarnya.  sensor node diletakan  secara terpisah dan tingkat kepadatan yang luas dan acak.  sensor node akan  mengumpulkan informasi seperti suhu dan kelembaban, dan mengirimkannya  ke  base  station  secara berkala.  Gambar.  1  menunjukkan  skema pengembangan sistem yang kami bangun.
Prototipe  sistem  perangkat  keras  yang dibangun  mengunakan    produk  Crossbow, dengan  mendukung    sistem  algoritma  data routing yang dapat dibangun serta menjalankan  sistem  perangkat  lunak  yang kami  kembangkan  sendiri.  Sistem  operasi untuk  wireless  sensor  network  memiliki fitur-fitur  yang  dapat  kembangkan  adalah PISA-I  yang  dimodifikasi  untuk  algoritma paket routing, Keunggulan dari algoritma ini adalah mekanisme dalam mengurangi pengunaan  energy  konsumsi  pada  sistem komunikasi,  serta    perangkat  lunak  yang dapat  mengatur  waktu  agar  sensor  dapat berkerja dan dapat mengoptimasi pengunaan energi  dengan  mode  operasi  keadaan sleep and keadaan active pada modul komunikasi.
A. Sensor node (SN).
Jenis  perangkat  keras  sensor node yang digunakan  adalah  dari  Crossbow  IRIS  yang merupakan  jenis  terbaru  dari  keluarga MICAz.  Sensor node terdiri  atas  modul komunikasi dan  sensor  modul.  Pada komunikasi modul, sensor node mengunakan  frekuensi  2.4  Ghz  dari  IEEE protokol  802.15.4  yang  memiliki  besar transfer  data  sebesar  250kbps.  Adapun karakteristik  jangkauan  transmisi  di  luar ruangan adalah 300m  dan  di  dalam ruangan adalah  50m  dengan  mengunakan  jenis antena  1/4-wave  dipole.  Sensor  module terdiri  atas  beberapa  jenis  yaitu,  suhu, kelembaban,  tekanan  atsmosfir,  itensitas cahaya,  and  sensor  getaran.  Secara  garis besar  karateristik  dari  sensor node dapat  di ringkas pada tabel 1.

## B. Base Station (BS)
Base  station  terdiri  dari  XM2110CA yang memiliki komunikasi modul IRIS node 2.4 Ghz, dan Stargate  Netbridge. Sistem  Ini beroperasi mengunakan database SQList dan web server, dan dapat terhubung ke Internet melalui  kabel  Ethernet.  Database  server berguna  untuk  menyimpan  data,  manipulasi
data serta distribusi melalui web server. Hal ini juga sebuah base station dapat mengirim pesan  ke  penguna    dalam  bentuk  short message system (SMS) jika terjadi perubahan  tiba  tiba  pada  suhu  yang  naik secara  ekstrim  atau  kelembaban  terdeteksi. Pada  sisi  penguna  dapat  ditampilkan  dalam informasi  dapat  bentuk  grafik  berdasarkan informasi sensor yang terpasang di lingkungan.
Gambar  1.  Gambaran  umum  sistem prototipe sensor node .
Gambar  2.  Sistem  keadaan  ( state )  dari sensor node
Tabel  1.  Informasi  perangkat  keras  IRIS

## node
Komponen Deskripsi Prosesor Memori EEPROM (data) frekuensi Radio Pemancar RF Power Sensitivity Pemancar Jangkauan di Luar Jangkauan di dalam Baterai Atmel ATMega 128L 4K byte 2.4 Ghz CC2430 3dBm -101 dBm 500  meter 100 meter 2 AA

## 3. Perangkat Lunak Sensor Networks
Sensor node dapat  dijalankan  mengunakan Sistem  operasi  TinyOS   yang berbasis Nesc Gay  (2003).  Di  dalam  sistem  operasi TinyOS didalamnya termasuk hasil modifikasi  algoritma  PISA-I  untuk  paket routing  data,  mode  status  sleep  and  status aktip  untuk  mengurangi  konsumsi  energi pada peralatan komunikasi dan singkronisasi waktu global.

## A. Prilaku Sistem sensor node .
Selama  sensor  dalam  keadaan  status sleep.  Sensor  akan  mematikan  pemancar dengan  tujuan  untuk  mengurangi  konsumsi energi. Tetapi secara periodik akan menyala sehingga  pemancar  yang  pada  mulanya berstatus  sleep  akan  aktif  melakukan pemindaian  terhadap  sensor node yang  ada di  sekitarnya.  Setelah  waktu  aktif  selesai, kondisi  sensor  akan  kembali  mematikan radio  transmisi  dan  kembali  lagi  kepada kondisi  sleep. Gambar 2.  Gambaran kondisi diagram keadaan dari sensor network.
Ada  tiga  tipe  paket  yang  akan  di  kirim selama keadaan sensor adalah aktif yaitu.
 Beacon Paket. Berisikan informasi dari pengirim  pesan,  dan  di  umumkan tetangga node yang terdekat.
 Siknonikasi  Paket adalah  pertukaran sikronisasi waktu secara global tiap tiap sensor node .
 Paket data antara sensor node . Sensor node akan meneruskan data ke tetangga
node yang  terdekat  berupa node ID, ukuran paket serta Node ID.
Gambar  3.  Prilaku  sensor node pada  saat keadaan aktif
Mode operasi sensor node dalam melakukan deteksi, menerima dan mengirimkan  dapat  di  lihat  pada  gambar  3. Pada sistem ini, algorithm  data routing  juga mengunakan bilangan acak backoff sebelum paket  dikirimkan  yang  bertujuan  untuk mengurangi  kemungkinan  bertabrakan  antar paket  data  dengan  tipe  yang  sama.  Untuk waktu  sinkronisasi  0.5  detik,  beacon membutuhkan  waktu  0.2  detik  sedangkan periode data membutuhkan waktu 2 detik.
B. Mode Operasi sensor node .
Tiap  sensor  beroperasi  secara  normal, dimana  secara  periodik  akan  monitor  suhu dan kelembaban, dan mengirimkan data-data tersebut  ke  base  station  sebagai  pusat informasi.  Sebagai contoh, ketika  di lingkungan terdeteksi  adanya potensi terjadi kebakaran/api,  sensor node dengan  segera akan  masuk  ke  dalam  mode  operasi peringatan (Alert) dan mengirimkan ke base station.

## Mode operasi normal
Pada  gambar  4  dapat  di  lihat  mode operasi  sensor node dalam  kondisi  normal. Pada  contoh  berikut  ini,  sensor node tetap aktip  selama  3  detik,  yang  mana  selama  itu akan mengirimkan waktu sikronisasi, beacon dan paket dat secara berurutan setiap periode pengiriman  data.  Kemudian  sensor  akan
sleep  selama  7  detik  sehingga  siklusnya adalah 0.3.
Gambar 4. Prilaku sensor node dalam mode normal selama periode pengiriman data.

## Mode operasi Alert/Peringatan
Ketika  secara  signifikan  sensor node dalam  masuk  dalam  operasi  peringatan  dan melakukan  pemantauan,  setiap  sensor node akan  mengirimkan  paket  data  kedalam keadaan  status  aktif.  Kemudian  kondisi  ini data dikirim terus menerus secara berkelanjutan  dan  data  terkirim  berdasarkan prioritas  pada  jalur  network  yang  terpendek agar sampai ke base station. Pada  gambar 5 di tampilan prilaku sensor node dalam mode peringatan selama periode pengiriman data.
Gambar 5. Prilaku sensor node dalam mode peringatan selama periode pengiriman data.

## 4. Algoritma routing
Pada  paper  ini  digunakan  algoritma  hasil modifikasi  dari  PISA  untuk  paket  routing. Algoritma  PISA  adalah  algoritma  yang berbasis  prioritas  data.  Sensor node dapat
menjalan algoritma PISA berdasarkan prioritas  paket  data  yang  diinginkan. Algoritma  ini  juga  mengunakan  teknik prioritas  data  untuk  rute  tercepat  dan terdekat.  Ketika  sebuah  informasi nextnode dari  sensor node terdekat  dengan  base station maka akan memiliki nilai progressive value  (PV)  dan  post-progressive  value (PPV)  dari  tetangga node terdekat.  PV  and PPV dapat mewakili 1 dan 2 jarak antar hop dari  sender v ke  base  station  melalui tetangga node yang terdekat.    Ketika sensor mendeteksi  anomali  daya,  seketika  base station segera akan mendapatkan pemberitahuan.  Adapun  untuk  memilih next node dari  nilai  PV  dan  PPV  dapat  di lihat sebagai berikut:
 
N(v) u PPV(u) u) PV(v, max ) nextnode(v    (1)
Dimana N adalah  jumlah  sensor node yang bertetangga v .  PV (v,u) adalah  koneksi hubungan  dari node v ke node u .  Dan  PPV ( u )  adalah  PPV  dari u. Untuk  mengatur jangkauan  transmisi,  agar  energy  yang digunakan  dapat  efisien  dan  jalur  rute  data yang  berbeda.  Kami  mengubah  persamaan (1)  dalam  bentuk  nilai  energi  yaitu  E(u). Berikut fungsi biaya untuk energy tersebut.
) ( )) ( ) , ( ( 1 ) , ( cos u E u PPV u v PV u v t      (2)
Dimana dan adalah  faktor  beban.  Di persamaan  (2) cost(v,u) diambil  dari  jarak antar node v ke node u .
5. Implementasi dan  Hasil
a. Jarak Transmisi yang tidak beraturan.
Masalah  yang  dihadapi  dalam  implementasi di  lapangan  dengan  jarak  antar  sensor node yang  sangat  jauh  adalah  ketidakteraturan jangkauan  transmisi.  Pada  PISA  algoritma, paket  data  mengirimkan  informasi  ke  base station  melalui  sensor node yang  terdekat.
Dari  nilai  PV  dan  PPV  akan  di  dapat informasi jalur jalur rute untuk menghubungkan jangkauan jaringan transmisi. Ketika jangkauan transmisi sensor node sangat  lemah,  nilai  PV  dan  PPV  akan mengkoreksi  kesalahan  pada  transmisi kembali  yang  kemudian  menentukan  nilai transmisi yang terdaftar pada daftar nextnode .
b. Fresnel Zone .
Permasalahan yang lain yang terjadi pada saat  implementasi  adalah  berkurangnya jangkauan transmisi dikarenakan oleh halangan dari fresnel zone. Saat implementasi,  kami  memasang  peralatan sensor  network  dekat  dengan  tanah  yang dapat  di  lihat  pada  gambar  6.  Karena  dekat dengan tanah akan terjadi pengurangan jarak jangkauan transmisi. Untuk dapat menghitung  optimal  fresnel  zone  adalah sebagai berikut
2 1 2 1 d d d d n Fn   (3)
Pada  persamaan  ini Fn adalah  radius  titik temu dari sinyal propagasi. adalah panjang gelombang, dan d 1 dan d 2 adalah jarak antar pengirim  dan  penerima.  Sensor node yang terpasang di lapangan memiliki fresnel zone 1.25  meter,  karena  jangkauan  IRIS  mote memiliki jangkauan transmisi sebesar 500m, sangat  sulit  sensor node berkomunikasi sehingga  hanya  bisa  menerima  pada  jarak 50m. Jika model penempatan sensor dengan tingkat  kepadatan  yang  sangat    padat,  ini tidak  akan  menjadi  masalah.  Sangatlah penting  saat  melakukan  instalasi  kembali dengan  memperhitungkan  jarak  ketinggian horisontal  agar  di  dapat  optimal  jarak jangkauan  pada  sensor node .    Hambatan yang  terjadi  di  pada  saat  uji  coba  prototipe sistem  berupa  vegetasi  dan  pohon  yang  rata rata ketinggian 3 – 5 meter.
Gambar 6. Peta topologi Wireless Sensor Network

## c. Pemantau  Ekologi  Gambut  dengan WSN
Kami  telah  memasang  7  buah  sensor node dan  1  buah  base  station  di  lahan percobaan pada koordinat latitude
2°13'40.77"S,  longitude  113°52'27.22"E. Percobaan
yang dilakukan adalah pengukuran  tingkat  suhu  (temperature)  dan kelembaban  (humidity)  pada  tutupan  lahan. Kami  mulai  mengujicoba  pengunaan  sensor network  untuk  pengukuran  pada  siang  hari disaat cuaca dalam kondisi baik. Kami mulai pengukuran  dari  jam  09.07  -  12.00  WIB karena kami memerlukan tingkat pencahayaan  dan  sudut  matahari  yang maksimal  agar  di  dapat  tingkat  suhu  dan kelembaban pada tutupan lahan.
Pada  gambar  7.  Kami  melakukan pengukuran  pada  lahan  terbuka  tanpa  ada pohon di sekitarnya, ditemukan bahwa suhu naik  mencapai  rata  –  rata  36.24  Celcius dengan kelembaban rata rata sebesar 52.9%.
Pada  gambat  8.  Sensor node melakukan pengumpulan  data  dengan  variasi  jenis pohon yang beragam pada tingkat kepadatan tutupan  lahan  yang  jarang.  Suhu  pada
tutupan  lahan  tersebut  sebesar  rata  –  rata 32.2 derajat celcius dan dengan kelembaban rata rata 67.1%.
Pada  gambar  9.  Sensor node melakukan pengambilan data dengan tutupan lahan pada satu jenis pohon.   Suhu pada tutupan lahan tersebut  sebesar  rata  –  rata  32.2  derajat celcius  dan  dengan  kelembaban  rata  rata 66.1%.
Pada  gambar  10  dapat  kita  lihat  grafik data  pada  lahan  terbuka  (Open  Space), Pohon  yang  bervariasi  (Heterogen  Tree), dan  pohon  tunggal  (Single  tree).  Dapat  kita diskusikan bahwa pengaruh intensitas cahaya  matahari  dapat  meningkatkan  suhu permukaan  tanah sehingga terjadi pelepasan panas pada permukaan tanah. Ini disebabkan oleh tutupan lahan  yang  sangat berpengaruh berupa  vegetasi  dan  pohon  terhadap  suhu dan pelepasan gas CO 2 di udara.
Gambar  7.  T emperature dan Humidity pada lahan terbuka.
Gambar  8. Temperature dan Humidity pada tutupan lahan dengan variasi pohon.
Gambar  9.  Temperature  dan  Humidity  pada tutupan lahan dengan satu jenis pohon.
Gambar 10. Intensitas cahaya matahari pada tutupan lahan

## 3. Kesimpulan
Kami akan jelaskan dari implementasi desain  WSN  untuk  pemantauan  lingkungan dalam skala yang sangat besar. Tujuh sensor dibangun di lahan percobaan dengan tingkat kepadatan  yang  jarang  (sparse)  untuk mengukur  tingkat  suhu,  kelembaban  dan intensitas cahaya matahari. Pemancar sensor network  akan  otomatis  dipadamkan  untuk mengurangi konsumsi energi, dan melakukan  rotasi  sinkronisasi  sleep  dan wakeup terhadap setiap sensor node . Sebuah sensor node akan  berjalan  secara  normal,
dan apabila sensor node mendeteksi kemungkinan bahaya ekstrim seperti kebakaran  lahan,  maka  sensor  dengan  cepat akan beroperasi dalam mode alert. Dan data yang  dikirim  secara  terus  menerus  ke  base station secara cepat.
Dalam  implementasi  kami  temukan beberapa  masalah  komunikasi  antar node . Masalah  pertama,  jangkauan  transmisi asimetris (asymmetric link) disebabkan oleh ketidakberaturan cakupan transmisi. Masalah kedua, terjadi pengurangan jangkauan  transmisi  yang  disebabkan  oleh distorsi Fresnel zone. Efek ini menyebabkan
sensor node tidak  dapat  berkomunikasi  satu sama  lain.  Untuk  mengatasinya  diperlukan menambah  ketinggian  agar  tidak  terhalang terhadap kepadatan vegetasi dan pohon.
Kami  telah  melakukan  percobaan  pada sistem  prototype  yang  kami  kembangkan  di lahan gambut. Sistem yang kami kembangkan  sangat  stabil  dan  efisien  untuk dapat  dipergunakan  di  lahan  gambut  yang luas  terutama  untuk  kasus  kebakaran  lahan dan hutan gambut.

## Daftar Pustaka
Elleithy,  A.,  Liu,  G.  &  Elrashidi,  A.,  2012. Underground Wireless Sensor Network Communication Using Electromagnetic Waves  Resonates  at  2  .  5  GHz.  ,  2(6), pp.158–167. Gay, D. et al., 2003. The nesC Language : A
Holistic Approach to Networked
Embedded  Systems  Categories  and Subject Descriptors.
Jiang,  Z.,  2012.  Development  of  an
Equipment Room Environment
Monitoring  System  based  on  Wireless
Sensor Network and Mobile Agent.
Lloret,  J.  et  al.,  2012.  Underwater  wireless sensor  communications  in  the  2.4  GHz ISM frequency band. , 12(4), pp.4237–
64.
Porter,  J.  et  al.,  2005.  Wireless  Sensor Networks  for  Ecology. BioScience , 55(7), p.561.
Teguh,  R.  et  al.,  2012.  Detection  and Verification  of  Potential  Peat  Fire Using  Wireless  Sensor  Network  and UAV.  In International  Conference  On
Information  Technology  and  Electrical
Engineering .
Yick, J., Mukherjee, B. & Ghosal, D., 2008. Wireless sensor network survey.
Computer  Networks ,  52(12),  pp.2292– 2330.
Zhang,  J.  et  al.,  2009.  Forest  fire  detection system  based  on  wireless  sensor
network. 2009 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications , pp.520–523.