## ANALISIS KINERJA PROTOKOL ZIGBEE DENGAN TOPOLOGI STAR PADA BUILDING AUTOMATION SYSTEM (BAS)
Eko Kurniawanto Putra 1,2, Zaini 3
1 Mahasiswa Program Studi Magister Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Andalas 2 Dosen Teknik Informatika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Padang
3 Dosen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Andalas e-mail: okeputra17@gmail.com

## Abstrak
Building  Automation  System (BAS)  digunakan  untuk  menyesuaikan  secara  otomatis  kondisi  dalam  ruangan untuk mengurangi biaya operasional. BAS merupakan integrasi dari beberapa sistem automasi, yaitu Heating Ventilating  and  Air  Conditioner (HVAC) ,  pencahayaan,  keamanan  dan  kebakaran,  keamanan  pengguna, pemantau  daya  dan  transportasi  dalam  gedung.  Penggunaan  system  ini  diharapkan  dapat  meningkatkan kemampuan  manajeman  energy  suatu  gedung.  Teknologi  wireless  BAS  pada  penelitian  ini  dengan memanfaatkan  jaringan  nirkabel  zigbee  yang  menguntungkan  dari  segi  fleksibilitas.  Pengujian  antara  node coordinator  dan  end  device  pada  masing-masing  sensor  node  dilakukan  dengan  topologi  point  to  point dengan  membaca  parameter  RSSI  ( Received  Signal  Strength  Indicator )  melalui  aplikasi  XCTU, menunjukkan  packet  loss  yang  diterima  maksimal  hanya  sebesar  1%.  Sedangkan  pengujian  transmisi  data dari  setiap  sensor  node  hingga  ke  database  system  dengan  sampel  data  10  jam  menggunakan  topologi  star menunjukkan rata-rata data yang diterima 94% dengan delay pengiriman data antara 1 hingga 2 detik. Waktu yang diperlukan  masing-masing sensor node untuk terhubung dengan receiver apabila  pada saat  dinyalakan hingga data tersimpan ke database kurang dari 19 detik. Topologi star adalah topologi yang sangat sederhana, sehingga  kedepannya  dapat  dikembangkan  dengan  menggunakan  topologi  yang  lebih  kompleks  seperti  tree dan mesh.
Kata kunci : Building Automation System, BAS,  Zigbee, xbee, Topologi Star

## 1. PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi berpengaruh besar  terhadap  perkembangan  gaya  hidup manusia.  Hampir  semua  kegiatan  dilakukan di  dalam  gedung,  akibatnya  pembangunan gedung-gedung tinggi pun semakin meningkat dan berdampak terhadap
penggunaan energi listrik. Untuk
mengendalikan  penggunaan  listrik  dapat dilakukan  dengan  sebuah  sistem  monitoring yaitu Building  Automation  System (BAS). BAS  digunakan  untuk  menyesuaikan  secara otomatis  kondisi  dalam  ruangan  untuk mengurangi biaya operasional.
BAS
merupakan  integrasi  dari  beberapa  sistem automasi,  yaitu Heating  Ventilating  and  Air
Conditioner (HVAC) , pencahayaan,
keamanan dan kebakaran, keamanan pengguna,  pemantau  daya  dan  transportasi dalam gedung[1].
Saat  ini  BAS  masih  terkendala  pada penerapan  jaringan,  karena  hal-hal  berikut: protokol  komunikasi  yang  rumit,  masalah keamanan jaringan,  waktu, biaya dan  sumber daya.  Salah  satunya  penerapan  teknologi dengan  media  kabel  tembaga  (UTP)  pada jaringan  komputer  yang  terkendala  pada  lalu lintas  jaringan  tersebut,  apabila  lalu  lintas
jaringan  sibuk  maka  data  yang  dikirim  akan semakin  lambat  dan delay pengiriman semakin tinggi mengakibatkan naiknya kemungkinan packet loss [2].
Penggunaan teknologi nirkabel diharapkan dapat  mengurangi  biaya  dalam  sistem monitoring  dan  mengurangi packet  loss dalam  transmisi  data.  Perkembangan  terakhir adalah penerapan komunikasi nirkabel 802.15.4  (ZigBee),  802.11  (WiFi)  dan Bluetooth. Keuntungan terbesar dari teknologi  ini  jika  diterapkan  di  BAS  adalah fleksibilitas[3].
Teknologi  jaringan  sensor  nirkabel  telah banyak  dilakukan  dalam  berbagai  bidang seperti pertanian[4], pengamatan lingkungan[5], kesehatan[6], otomatisasi gedung[7] maupun bidang lainnya.
Pemantauan  dan  pengaturan  suhu  ruangan menggunakan  jaringan  sensor  nirkabel  disini menggunakan  jaringan  ZigBee  dengan  Xbee sebagai alatnya.
2. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Building Automation Sistem
Sistem  automatik  pada  gedung  atau dikenal  dengan  BAS (Building  Automation System) adalah suatu sistem pengendalian dan pemantauan  yang  terpusat  dari  seluruh
peralatan  mekanikal  dan  elektrikal  yang terdapat  disuatu  gedung.  BAS  terdiri  dari beberapa Direct Digital Control (DDC) yang mempunyai input dan output baik  secara analog  maupun  digital.  Input  dan  output tersebut  berguna  sebagai  indikator  untuk mengetahui  status  dari  perangkat  yang  akan dikontrol[8].
BAS merupakan  solusi  total  bagi  gedung bertingkat atas seluruh permasalahan
peralatan utility,  maintenance,  operational , dalam melakukan sistem monitoring dan   kontrol  guna  mendapatkan  sistem otomatisasi yang membantu pekerjaan seluruh unit gedung sehingga seluruh pekerjaan  dan  aktivitas  gedung  akan  cara lebih mudah  termonitor, terkoordinasi, dalam sistem yang lebih effisien dan mudah. Sistem ini  bisa  mengatur  dan  memonitor  seluruh mesin  dan  perangkat  listrik  seperti  pompa, AC, lift, eskalator, lampu dll.

## 2.2 Zigbee
ZigBee  adalah  protokol  jaringan  nirkabel yang  ditargetkan  untuk  otomasi  dan aplikasi remote  control dengan  teknologi  data rate rendah,  konsumsi  daya  rendah,  dan  harga murah. ZigBee diharapkan dapat memperkecil  biaya  dan  menjadi  konektivitas berdaya rendah untuk peralatan yang memerlukan  baterai  untuk  hidup  selama beberapa bulan sampai beberapa tahun, tetapi tidak  memerlukan  kecepatan  transfer  data tinggi seperti Bluetooth.
Selain itu,
ZigBee dapat
diimplementasikan dalam jaringan mesh yang lebih  luas  daripada  yang  mungkin  dijangkau dengan Bluetooth. Perangkat nirkabel ZigBee diharapkan dapat digunakan untuk mengirimkan  data  sejauh  10-75  meter, tergantung  pada  lingkungan  RF  dan output konsumsi  daya  yang  diperlukan  untuk diberikanaplikasi. Perbandingan standar wireless dapat dilihat  pada Tabel 1[9].
Tabel 1. Perbandingan Standard Wireless
Standard ZigBee 802.15.4 Bluetoot h 802.15.1. 4 Wi-Fi 802.11b Aplikasi Monitorin g dan kontrol Pengganti kabel web, video, e-mail Resource 4kb-32kb 250kb+ 1Mb+ Daya tahan baterai (hari) 100- 1000+ 1-7 0,1-5 Node per jaringan 256/65 k+ 7 30 Bandwidt h (kbps) 20-250 720 11000+ Jangkaua n (m) 1-75+ 1-10+ 1-100 Kelebihan handal, hemat daya, biaya murah Murah fleksibilitas , kecepatan
Pro tokol Zigbee mendukung  beberapa topologi  jaringan.  Di  dalam Zigbee tedapat empat  jenis  topologi  [10],  yaitu pair, star, mesh dan cluster tree , seperti pada gambar 1.
Jenis pair merupakan  yang  paling  sederhana karena  hanya  membutuhkan  dua  radio, dimana satu sebagai coordinator sedang yang lain sebagai router atau end device. Topologi star juga  relatif  mudah,  karena  satu coordinator di  tengah  sedang  lainnya mengirim  data  ke coordinator ,  hampir  sama dengan pair tetapi ini memiliki lebih dari satu router atau end  device .  Topologi Mesh memiliki  beberapa router dan end  device , dimana  router  selain  mengirim  data  dari dirinya juga meneruskan data dari end device, serta mempunyai kemampuan menyembuhkan  rutenya  jika  terjadi  masalah. Cluster tree hampir sama dengan mesh , tetapi untuk  peruteannya  tidak  sama, end  device memilih router tertentu  untuk  meneruskan datanya ke koordinator.
Gambar 1. Model Topologi Jaringan [10].
Coordinator End Device End Device

## 3. PERANCANGAN SISTEM
Penelitian dilakukan di gedung E Fakultas Teknologi  Industri  (FTI)  Institut  Teknologi Padang,  gedung  ini  terdiri  dari  tiga  lantai. Dalam  penelitan  ini  digunakan  empat  buah modul Xbee , yang terdiri dari tiga buah Xbee sebagai End  Device pada sensor  node dan satu  buah  xbee coordinator pada receiver . Selain  itu  juga  digunakan Xbee  shield, board Arduino  dan  Ethernet  shield  yang  digunakan untuk  komunikasi  secara  TCP/IP  dengan komputer sebagai database server.
Pada  tahap  awal  direncanakan  topologi yang akan digunakan, karena lokasi penelitian  hanya  satu  gedung  maka  dipilih topologi star yg  lebih  sederhana  seperti  pada gambar  2 . Topologi star yaitu  topologi dengan beberapa End device/Router terhubung ke Coordinator yang akan menampung  semua  data  yang  dikirimkan oleh End Device dan meneruskan ke database melalui Ethernet shield .
Masing-masing  lantai  di  pasang  satu perangkat  sensor node dan transmitter menggunakan xbee.  Perangkat transmitter xbee akan mengirimkan data dari sensor suhu dan kelembaban DHT11, sensor arus ACS758 dan dari sensor PIR. Data dari setiap sensor node di  terima  oleh receiver pada lantai dua dan disimpan dalam database .
Gambar 2. Topologi Sistem.
Alur  pengujian  sebagai  berikut.  Pertama dilakukan  pengujian  jaringan  xbee  antara
coordinator dan end device pada setiap lantai. Pengujian  dilakukan  dengan  menggunakan tool range test pada aplikasi XCTU. Topologi yang mendukung untuk melakukan pengujian ini  adalah  toplogi point  to  point dengan mengirimkan  paket  bervariasi  mulai  dari  100 hingga 500 paket.
Selanjutnya dilakukan pengujian
pengiriman  data  dari  setiap  sensor  melalui xbee end  device pada sensor  node ke  xbee coordinator pada receiver hingga  data  setiap sensor  dari  masing-masing  lantai  disimpan pada database server .

## 4. PENGUJIAN DAN HASIL
4.1 Pengujian Jaringan Xbee
Pengujian  jaringan  Xbee  pada  penelitian ini  adalah  dengan  mengukur  parameter  RSSI ( Received  Signal  Streght  Indicator )  dengan menggunakan tool range  test pada  perangkat lunak  XCTU.  Pengujian  dilakukan  dengan topologi point-to-point . Gambar 3
menunjukkan topologi jaringan dari pengujian ini.
Gambar 3. Topologi Point to Point.
Tujuan  pengujian  ini  adalah  untuk menguji  kemampuan  setiap  xbee  pada  saat mengirimkan  data  dari  sensor node ke coordinator . Pengujian ini hanya di butuhkan USB  Xbee  Adapter  pada end  device untuk menghubungkan  perangkat  Xbee  dengan komputer  dan  aplikasi  XCTU,  sedangkan xbee coordinator pada  cukup  terhubung  ke sumber tegangan 5v.
Pengujian  dilakukan  dengan  skenario yaitu  jumlah  paket  data  dan  ukuran  paket data. Ukuran paket data maksimal yang dapat dikirimkan  dalam  satu  kali  transmisi  oleh perangkat  XBee  Seri  2  adalah  sebesar  84 Bytes.  Pada  pengujian  ini  digunakan  ukuran paket data maksimal yang bisa ditransmisikan xbee  yaitu  sebesar  84  Bytes.  Jumlah  paket data  yang  dikirimkan  ke coordinator dari masing-masing end  device bervariasi  mulai dari  100,  200  hingga  500  data.  Parameter pengujian dengan Rx timeout selama 1 detik, artinya  apabila  paket  tidak  diterima  selama  1 detik  maka  paket  dianggap  hilang  ( lost )  dan Tx interval atau  selang  waktu  pengiriaman
Xbee End Dev_3 Xbee End Dev_2 Xbee End Dev_1 Xbee Coordinator
paket  setiap  empat  detik.  Seperti  yang diperlihatkan gambar 4.
Gambar 4. Parameter Range Test XCTU.
Xbee  yang  telah  di  konfigurasi  sebagai end  device di  letakkan  di  salah  satu  ruangan pada masing-masing lantai gedung sedangkan posisi coordinator berada  pada  lantai  dua, akan  tetapi  pada  ruangan  yang  berbeda  dari end device yang berada di lantai dua.
Pengukuran  pertama  dilakukan  pada end device yang  berada  pada  lantai  satu.  Hasil pengukuran RSSI dalam satuan dBm ( decibel-milliwatts ).  Hasil  pengukuran  RSSI pada lantai satu pada tabel 2.
Tabel 2. Hasil Pengukuran RSSI Lantai 1
No Jumlah Paket Paket Terkirim Paket Diterima Packet Loss (%) RSSI Rata- rata (dBm) 1 100 100 100 0 -69 2 200 200 199 0,2 -73 3 500 500 500 0 -69
Pada  pengujian  pertama  yang  dilakukan antara coordinator pada  lantai  dua  dan end device pada  lantai  satu  terlihat  saat  jumlah paket  100  dikirimkan,  paket  yang  diterima oleh coordinator jumlahnya  sama,  artinya tidak ada packet loss dengan rata-rata RSSI - 69  dBm.  Saat  pengiriman  jumlah  paket  200 yang  sampai  ke coordinator hanya  199 artinya 1 paket hilang dan presentasinya 0,2% packet  loss ,  hal  ini  dipengaruhi  oleh  nilai rata-rata  RSSI  yang  turun  menjadi  -73  dBm. Pengukuran  dengan  jumlah  paket  data  500 nilai  rata-rata  RSSI  kembali  naik  -69  dBm sehingga packet  loss 0%  dan  data  yang diterima sesuai dengan data yang dikirim.
Pengujian  pada  lantai  2  gedung,  posisi coordinator dan end  device pada  pengujian ini  berada  pada  satu  lantai  yang  sama. Walaupun  pada  satu  lantai  yang  sama  akan tetapi jarak antara coordinator dan end device pada  lantai  dua  cukup  jauh,  sekitar  10  meter dan batasi oleh satu ruangan.
Tabel 3. Hasil Pengukuran RSSI Lantai 2 No Jumlah Paket Paket Terkirim Paket Diterima Paket Loss (%) RSSI Rata- rata (dBm) 1 100 100 100 0 -62 2 200 200 200 0 -63 3 500 500 500 0 -69 Penerimaan  paket  data  cukup  bagus  pada lantai  2,  semua  paket  data  yang  dikirimkan diterima tanpa ada yang hilang sehinga setiap pengujian nilai packet loss 0%. Rata-rata nilai RSSI juga berkisar antara  -62  dBm sampai - 69  dBm,  menandakan  kekuatan  sinyal  xbee pada pengujian di lantai dua ini cukup bagus.
Tabel 4. Hasil Pengukuran RSSI Lantai 3
No Jumlah Paket Paket Terkirim Paket Diterima Paket Loss (%) RSSI Rata- rata (dBm) 1 100 100 100 0 -80 2 200 200 198 1 -82 3 500 500 499 0,2 -81
Rata-rata  pengukuran  nilai  RSSI  pada lantai  tiga  cukup  rendah  antara  -80  dBm hingga -81 dBm, artinya kekuatan sinyal dari coordinator pada  lantai  dua  ke  lantai  tiga cukup  lemah,  hal  tersebut  bisa  dilihat  dari persentase packet  loss 1%,  hanya  pada  saat pengiriman  jumlah  paket  100  yang packet loss 0%.
4.3 Analisa Waktu Koneksi Sensor Node Ketika prototype dinyalakan  maka  xbee coordinator akan  melakukan broadcast ke setiap  perangkat  yang  mempunyai  PAN  ID yang  sama.  Setelah  xbee  terhubung,  bisa dilakukan  pengiriman  data  ke database . Dengan menghitung waktu pada saat pertama kali coordinator dinyalakan  hingga  data  dari sensor node disimpan  ke  database  maka didapatkan  lama waktu  yang  diperlukan masing-masing  sensor node untuk  bisa mengirimkan data ke server.
Tabel 5. Waktu Koneksi Sensor Node Percobaan Ke- Delay (detik) KD01 KD02 KD03 1 12 14 13 2 17 14 18 3 15 13 17
4 16 18 17 5 14 16 15 Minimal 12 13 13 Maksimal 16 18 18 Rata-rata 14,8 15,0 16,0 Berdasarkan  tabel  5,  semua  sensor node memerlukan  waktu  kurang  dari  19  detik untuk  bisa  terhubung  dan  mengirimkan  data ke  server.  Selisih delay dari  masing-masing antar  sensor node pada  setiap  percobaan
antara 1 detik hingga 4 detik. Rata-rata waktu yang  dibutuhkan  untuk  sensor node KD01 pada  lantai  satu  adalah  14,8  detik,  sensor node KD02 pada lantai dua rata-rata delay 15 detik sedangkan pada lantai tiga, sensor node KD03 dengan rata-rata delay 16 detik.

## 4.4 Analisa Penerimaan Data
Sampel  untuk  dianalisa  diambil  dengan rentang  waktu  10  jam.  Selama  waktu  itu ketiga  sensor node mengirimkan  data  secara bersamaan  ke coordinator dan  data  yang diterima  langsung  disimpan  ke  database. Analisa dilakukan dengan menghitung persentase  data  yang  telah  diterima  dalam database  dengan  data  yang  seharusnya diterima.  Pengiriman  data  dari end device telah diatur setiap 5 detik, sehingga data yang seharusnya  diterima  selama  satu  jam  atau 3600 detik adalah:
Jadi,  seharusnya  dalam  waktu  satu  jam tersimpan sebanyak 720 data dalam database . Untuk  menghitung  persentase  data  yang tersimpan dalam database, digunakan rumus:
…...( i )
Persentase  data  yang  diterima  selama  10 jam pengiriman data, dapat dilihat pada  tabel 6:
Tabel 6. Persentase Data Yang Diterima Durasi (Jam) Persentase KD01 KD02 KD03 1 94,03% 94,03% 93,89% 2 94,03% 94,03% 93,96% 3 93,98% 93,98% 93,94% 4 93,99% 93,99% 93,96% 5 93,97% 94,00% 93,94% 6 93,98% 93,98% 93,94% 7 93,97% 93,99% 93,95% 8 93,98% 93,99% 93,94% 9 93,97% 94,00% 93,94% 10 93,97% 94,00% 93,94% Rata- rata 93,99% 94,00% 93,94%
Dari  tabel  6  bisa  dilihat  bahwa  persentasi data  yang  diterima  rata-rata  hanya  sekitar 94%.  Hal  ini  diakibatkan  bukan  karena packet lost , tetapi karena delay pada saat data dikirim  dari end  device hingga  disimpan  ke database. Seperti gambar 5.:
Gambar 5. Waktu Penerimaan Data Pada Database
Pada  gambar  5  merupakan  data  yang diterima oleh salah satu ruangan dengan kode ruangan  KD03.  Untuk  mendapatkan  delay dari data yang diterima dengan membandingkan  data  yang  terbaru  dengan data  sebelumnya.  Misalnya  pada  gambar  5, data dengan id 27075 disimpan pada database jam  11:47:30  data  setelahnya  dengan  id 27078  disimpan  pada  jam  11:47:36,  jika dibandingakan delay waktu antar penyimpanan  adalah  6  detik,  sedangkan end device telah diprogram untuk mengirim setiap 5  detik.  Disini  terdapat  penambahan  delay selama  1  detik,  hal  ini  yang  menyebabkan data  yang  disimpan  pada  database  tidak 100%.

## Gambar 6. Grafik Perbandingan Persentase Data Diterima
Grafik  perbandingan  persentase  data  yang diterima  seperti  pada  gambar  6,  bisa disimpulkan  bahwa  antara  KD01  dan  KD02 yang  merupakan  lantai  satu  dan  lantai  dua, persentasenya  tidak  begitu  jauh.  KD03  yang terletak  di  lantai  tiga  walaupun  tidak  terlalu siginfikan tetapi persentasenya dibawah 94%.

## 5. KESIMPULAN
Penerapan  teknologi  nirkabel  Xbee  untuk monitoring suhu, kelembaban dan pemakaian arus pada  sebuah  gedung  bertingkat  dengan  bantuan perangkat  arduino  secara  umum  untuk  proses transmisi  data  sudah  dapat  dibangun. Data  yang diterima oleh database rata-rata 94% dari data yang  seharusnya,  hal  ini  diakibatkan  oleh bertambahnya delay pengiriman  1  detik
sampai  2  detik  dari end  device hingga disimpan  pada  database.  Pada  saat  salah  satu sensor node mati,  waktu  yang  dibutuhkan untuk terhubung dengan receiver hingga data tersimpan  ke  database  kurang  dari  19  detik. Apabila  salah  satu  sensor node mati  atau gagal  dalam  pengiriman  data,  maka  tidak akan  berpengaruh  terhadap  sensor node yang lain.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] P. Domingues et al , Building Automation  Systems:  Concepts  and Technology Review, International
Journal  of Computer  Standards  & Interfaces , Vol. 45, hal. 1-12, 2016.
[2] P. Mandarani dan Zaini, Pengembangan Sistem Monitoring Pada  Building  Automation  System (BAS)  Berbasis  Web  Di  Fakultas
Teknik  Universitas  Andalas, Jurnal Teknik Elektro (JTE) ITP , Vol 4, No. 2, hal. 7-16, 2015.
[3] S.  Wang,  Editorial:  Wireless  Network and  Their  Applications  in  Building Automation System, HVAC&R Research , Vol. 14, hal. 529-533, 2008.
[4] Jacques  Panchard ,  Wireless  Sensor Networks  for  Marginal  Farming  in India ,  Thesis,  École  Polytechnique Fédérale de Lausanne, 2008.
[5] K.K.  Khedo et  al ,  A  Wireless  Sensor
Network  Air  Pollution  Monitoring System, International Journal of
Wireless  &  Mobile  Networks ,  Vol.  2, No. 2, hal. 31-45, 2010.
[6] S.  Dagtas  et  al,  Multi-stage  Real  Time
Health Monitoring via ZigBee in Smart Homes, Proceedings of IEEE International  Conference  on  Anvanced Information Networking and Application  Workshop  (AINAW),  hal. 782-786, 2007
[7] J.A.  Gutierrez,  On  The  Use  of  IEEE
802.15.4  to  Enable  Wireless  Sensor Networks  in  Building  Automation, International  Journal  of  Wireless Information  Networks ,  Vol.  14,  No.  4, hal 1865-1869, 2007.
[8] D.  Fisk,  Cyber  Security,  Building Automation and The Intelligent
Building ,  Journal  Intelligent  Buildings
International , hal. 1-13, 2012.
[9] S.  Safaric  dan  K.  Malaric,  ZigBee Wireless  Standard, 48th  International Symposium  ELMAR ,  hal.  259-262, Zadar Croatia, 2006.
[10] T.  Kumar  dan  P.  B.  Mane,  Zigbee topology:  A  Survey, International Confrence on Control, Instrumentations,  Communication  and Computational (ICCICCT),  hal.  164-
166, Kayakumari India, 2016.