Daftar Isi (Table Of Content)
A. Tujuan dan Capaian Pembelajaran/Kompetensi Akhir
1. Mampu memahami pengertian dan sejarah teknologi Jaringan Sensor Nirkabel / WSN.
2. Mampu memahami arsitektur, topologi dan pengaplikasian Jaringan Sensor Nirkabel / WSN.
6.1 Pengertian Jaringan Sensor Nirkabel atau WSN
Dalam kehidupan sehari-hari manusia dihadapkan pada berbagai masalah dalam pekerjaan atau aktifitas kegiatannya. Diantaranya adalah ketika manusia ingin mengamati suatu objek dari kejauhan sambil melakukan kegiatan di tempatnya berada.
Atau ketika manusia ingin mengamati suatu objek yang sulit dijangkau di tempat yang berbahaya. Atau ketika manusia ingin mengamati gejala alam di banyak tempat dalam satu waktu bersamaan.
Permasalahan-permasalahan tersebut dapat terjawab dengan adanya teknologi instrumen penginderaan yang dipadukan dengan teknologi jaringan komunikasi.
Dalam bab ini akan membahas suatu konsep yang memadukan berbagai macam instrumen pengideraan dengan jaringan komunikasi nirkabel yang disebut teknologi jaringan sensor nirkabel atau wireless sensor network (WSN).
Teknologi jaringan sensor nirkabel atau wireless sensor network (WSN) adalah suatu jaringan nirkabel yang terdiri atas perangkat-perangkat otonom yang didistribusikan secara spasial mengunakan sensor untuk memantau kondisi fisik atau lingkungan (National Instrument, nd).
Teknologi jaringan sensor nirkabel atau WSN memanfaatkan sensor-sensor untuk memonitor kondisi fisik atau lingkungan seperti kelembaban udara, suhu udara, kadar keasaman (pH), polusi udara, kecepatan angin, pemantauan mesin industri dan lain sebagainya.
Sensor-sensor tersebut dilengkapi sistem akusisi data, pengolah data dan dihubungkan dengan jaringan komunikasi nirkabel yang memungkinkan pertukaran informasi agar data hasil pengukuran yang sudah diproses dapat dikumpulkan dan dikirimkan ke stasiun pemantau atau pengguna.
6.2 Sejarah WSN
Untuk memahami teknologi sensor nirkabel atau WSN penting bagi kita menapaki sejarah singkat tentang WSN. Asal mula WSN ditujukan untuk apikasi militer dan industri berat, lalu beralih ke industri ringan dan digunakan secara umum sebagai aplikasi WSN seperti saat ini.
Jaringan nirkabel awalnya mirip seperti modem yang digunakan pada proyek Sound Surveillance System (SOSUS), yang dibangun oleh militer Amerika Serikat pada tahun 1950 untuk mendeteksi dan melacak kapal selam Uni Soviet.
Jaringan tersebut menggunakan sensor akustik terendam yang disebut hidrofon yang didistribusikan di samudra Atlantik dan samudra Pasifik.
Penelitian yang dilakukan pada periode 1960-an dan 1970-an menghasilkan perangkat keras yang saat ini digunakan untuk internet. Pada awal tahun 1980-an sebuah proyek organisasi militer milik Amerika Serikat yang disebut Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) memulai Distributed Sensor Network (DSN) atau Jaringan Sensor Terdistribusi sebagai upaya menjawab tantangan atau mengimplementasikan jaringan sensor nirkabel/terdistribusi.
Lahirnya jaringan sensor terdistribusi (DSN) dan perkembangannya di akademi melalui universitas rekanan seperti Carnegie Mellon University and the Massachusetts Institute of Technology Lincoln Labs membuat teknologi WSN cepat dikenal oleh dunia akademis dan penelitian ilmiah masyarakat sipil.
6.3 Arsitekur WSN
Bagian terpenting dari jaringan sensor nirkabel adalah node sensor. Node sensor terdiri dari empat komponen dasar yaitu: unit penginderaan, unit pemrosesan, unit transceiver, dan unit daya ditunjukkan pada Gambar 5.1.
Bagian-bagian tersebut dapat memiliki komponen tambahan yang tergantung pada pengaplikasiannya seperti sistem pencarian lokasi, generator listrik dan mobilisator.
Unit penginderaan biasanya terdiri dari dua subunit yaitu sensor dan analog to digital converter (ADC). Sinyal analog yang dihasilkan oleh sensor berdasarkan fenomena yang diamati.
Sinyal tersebut kemudian dikonversi menjadi sinyal digital oleh ADC, dan kemudian dimasukkan ke dalam unit pemrosesan. Unit pemrosesan umumnya terkait dengan unit penyimpanan data.
Tugas unit pemprosesan yaitu mengatur bagaimana node sensor berkolaborasi dengan node lain untuk melakukan tugas penginderaan. Unit transceiver menghubungkan node sensor ke jaringan.
Selain beberapa komponen tersebut, salah satu komponen terpenting dari node sensor adalah unit daya. Unit daya dapat didukung oleh unit pembangkit daya seperti sel surya.
Ada juga sub unit lain, yang tergantung pada kebutuhan pengaplikasian node sensor. Sebagai contoh, sub unit pelacak lokasi dan sub unit penggerak.
Gambar 6.1 Arsitektur Node Sensor
Node sensor biasanya tersebar di medan sensor (sensor field) ditunjukkan pada Gambar 6.2. Setiap node sensor yang tersebar memiliki kemampuan untuk mengumpulkan data dan merutekan data kembali ke sink dan pengguna.
Data dirutekan kembali ke pengguna oleh infrastruktur arsitektur multihop melalui sink. Sink dapat berkomunikasi dengan task manager node melalui Internet atau Satelit. (Akyildiz et al., 2002)
Gambar 6.2 Arsitektur Jaringan Sensor Nirkabel
Susunan protokol yang digunakan oleh sink dan semua node sensor untuk berkomunikasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.3.
Susunan protokol ini mengkombinasikan pengaturan daya dan pe-rutean (routing), mengintegrasikan data dengan protokol jaringan, mengkomunikasikan daya secara efisien melalui media nirkabel, dan mendukung upaya kerja sama antar node sensor.
Susunan protokol tersebut terdiri dari lapisan aplikasi (aplication layer), lapisan transport (transport layer), lapisan jaringan (network layer), lapisan tautan data (data link layer), lapisan fisik (physical layer), bidang manajemen daya (power management plane), bidang manajemen mobilitas (mobility management plane), dan bidang manajemen tugas (task management plane).
Gambar 6.3 Protokol Komunikasi Jaringan Sensor Nirkabel
Berdasarkan pada tugas sistem penginderaan, berbagai jenis perangkat lunak aplikasi dapat dibangun dan digunakan pada lapisan aplikasi.
Lapisan transportasi membantu menjaga aliran data jika aplikasi jaringan sensor memerlukannya. Lapisan jaringan menangani perutean data yang disediakan oleh lapisan transportasi.
Lapisan fisik menangani kebutuhan modulasi, transmisi dan teknik penerimaan data. Selain itu, bidang manajemen daya , manajemen mobilitas, dan manajemen tugas memantau distribusi daya, gerakan, dan tugas di antara node sensor.
Bidang-bidang tersebut membantu node sensor mengoordinasikan tugas penginderaan dan menurunkan konsumsi daya secara keseluruhan.
6.4 Tipe komunikasi WSN
Komunikasi dalam WSN dibagi menjadi dua yaitu komunikasi single hop dan komunikasi multi hop (Djedouboum et al., 2018).
6.4.1 Komunikasi Single Hop
Komunikasi single hop mengarah pada transmisi jarak jauh yang menghasilkan peningkatan konsumsi energi yang signifikan. Pada komunikasi single hop node sensor mengirim data langsung ke sink.
6.4.2 Komunikasi Multi Hop
Menggunakan komunikasi multihop mengurangi jarak transmisi, sehingga mengurangi kehilangan energi untuk meningkatkan masa pakai jaringan. Dalam transmisi multi hop, arsitektur jaringan memainkan peran utama. Arsitektur jaringan multihop biasanya dibagi menjadi arsitektur datar atau hierarkis. Pada komunikasi multi hop node sensor mengirim data dengan berkomunikasi antar node untuk mencapai sink.
6.5 Topologi jaringan sensor nirkabel
Pengembangan dan penyebaran WSN dapat mengunakan topologi jaringan tradisional. Topologi jaringan sensor nirkabel dibedakan menjadi topologi Tree, Star, dan Mesh
6.5.1 Topologi Star
Topologi Star (ditunjukkan pada Gambar 6.4) merupakan topologi paling dasar, dimana setiap node mempertahankan satu jalur komunikasi langsung dengan sink / gateway (Amalina, Setijadi and Suwardi, 2013).
Pada topologi star node tidak dapat berkomunikasi secara langsung satu sama lain dan terhubung ke hub komunikasi terpusat (sink). Seluruh komunikasi harus dialihkan melalui hub terpusat.
Setiap node kemudian menjadi “klien” sementara hub pusat adalah server atau sink. Kelemahan topologi ini adalah komunikasi menggunakan jalur tunggal (Li and Yang, no date).
Gambar 6.4 Topologi Star Pada Jaringan Sensor Nirkabel
6.5.2 Topologi Hierarki/Tree
Arsitektur topologi hierarki/tree (ditunjukkan pada Gambar 5.5) lebih kompleks dibandingkan dengan topologi star, dimana setiap node masih mempertahankan satu jalur komunikasi untuk gateway.
Perbedaannya yaitu pada topologi hierarki/tree menggunakan node-node lain dalam mengirimkan data, namun masih dalam satu jalur tersebut.
Jaringan menggunakan hub pusat yang disebut root node sebagai router komunikasi utama. Dalam topologi hierarki/tree , hub pusat adalah satu tingkat di bawah ini dari simpul akar.
Tingkat yang lebih rendah ini membentuk jaringan bintang. Jaringan topologi tree dapat dianggap sebagai hibrida dari topologi jaringan Star dan Peer to Peer.
Dalam jalur jaringan sensor dapat berupa hop tunggal atau multi hop, simpul sensor untuk mendapatkan data merasakan lingkungan dan mengirimkannya ke wastafel dan sensor meneruskannya ke induknya setelah menerima pesan data dari anak-anaknya.
Penting untuk menemukan jalur terpendek yang optimal dengan masa pakai maksimum dan waktu tunda yang lebih pendek tetapi kompleksitas waktu sedikit tinggi dan tetapi lebih cocok untuk implementasi yang didistribusikan.
Ada masalah dalam skema penyeimbangan beban di setiap tingkat pohon dan ada komunikasi di antara dua node. Jika ada putus tautan di uni-path pada rute aktif maka komunikasi juga putus.
Gambar 6.5 Topologi Tree / Cluster
6.5.3 Topologi Mesh
Pengiriman pesan pada topologi mesh dapat menggunakan salah satu dari beberapa jalur data dari sumber ke tujuan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6.6.
Jaringan mesh di mana setiap node terhubung satu sama lain disebut mesh penuh dan ada jaringan mesh parsial juga ada di mana beberapa perangkat (node) hanya terhubung secara tidak langsung ke node lain.
Topologi mesh merupakan jalur komunikasi di mana masing-masing node dapat berkomunikasi dengan yang lain.
Dalam sebuah jaringan mesh, node mempertahankan jalur komunikasi untuk kembali ke gateway, sehingga jika salah satu node router turun, secara otomatis data router akan dilewatkan melalui jalur yang berbeda.
Gambar 6.6 Topologi Mesh pada Jaingan Sensor Nirkabel
Pada LS-WSN (large scale wireless sensor network), jaringan terdiri dari sejumlah besar node kepadatan/kerapatan tinggi yang digunakan di area deteksi, dengan satu atau lebih stasiun pangkalan (base station) di dalam atau di dekat area tersebut.
Base station berkomunikasi dengan sensor melalui permintaan atau perintah, dan sensor berkomunikasi satu sama lain melalui komunikasi nirkabel. Base sensor berpartisipasi dalam melakukan tugas pendeteksian dan pengiriman data ke stasiun pangkalan.
B. Tugas
1. Jelaskan dan berikan contoh pengaplikasian jaringan sensor nirkabel?
2. Sebutkan dan jelaskan jenis topologi jaringan yang umum digunakan pada jaringan sensor nikabel?
C. Daftar Pustaka
1. Akyildiz, I. F. et al. (2002) ‘Wireless sensor networks : a survey’, 38, pp. 393–422.
2. Amalina, E. N., Setijadi, E. and Suwardi (2013) ‘Perbandingan Topologi WSN (Wireless Sensor Network) Untuk Sistem Pemantauan Jembatan’, in Prosiding Conference on Smart-Green Technology in Electrical and Information Systems, pp.
14–15.
3. Djedouboum, A. C. et al. (2018) ‘Big data collection in large-scale wireless sensor 107 networks’, MDPI, 18(12), pp. 1–34. doi: 10.3390/s18124474.
4. Jayakumar, L., Devi, S. G. and Sreeja, B. P. (2018) ‘Wireless sensor network applications : A study’, (January). doi: 10.12732/ijpam.v118i11.47.
5. Kovi, S. K., Jangam, P. and Kosgi, S. umar G. (2017) ‘Wireless sensor networks and applications’, (June). doi: 10.13140/RG.2.2.23192.19207.
6. Li, M. and Yang, B. (no date) ‘A Survey on Topology issues in Wireless Sensor Network’.
7. National Instrument (no date) ‘What Is a Wireless Sensor Network ?’, pp. 1–4.
