Makalah WSN Heru Ruwandar PDF

Preview

Summary

MAKALAH JARINGAN SENSOR NIRKABEL Oleh: HERU RUWANDAR 1825031007 MAGISTER TEKNIK ELEKTRO JURUSAN TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2019 Jaringan Sensor Nirkabel 1. Pendahuluan Wireless sensor network (WSN) memiliki peranan yang amat penting dalam berbagai bidang kehidupan. WSN merupak...

Description

MAKALAH JARINGAN SENSOR NIRKABEL

Oleh: HERU RUWANDAR 1825031007

MAGISTER TEKNIK ELEKTRO JURUSAN TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2019

Jaringan Sensor Nirkabel 1.

Pendahuluan

Wireless sensor network (WSN) memiliki peranan yang amat penting dalam berbagai bidang kehidupan. WSN merupakan infrastruktur suatu jaringan yang terdiri dari sekumpulan node sensor yang tersebar pada suatu area sensor. Data yang dikumpulkan bisa berupa suhu, tekanan, pergerakan suatu objek atau kelembaban dan sebagainya. WSN menggabungkan pengetahuan dan teknologi dari tiga bidang yang berbeda; Komunikasi nirkabel, Jaringan dan Teori Sistem dan Kontrol. Untuk merealisasikan aplikasi yang ada dan potensial untuk WSN, diperlukan protokol komunikasi yang canggih dan sangat efisien [1]. Penelitian tentang WSN dewasa ini difokuskan untuk mengatasi kekurangan energi selama jaringan aktif karena energi secara langsung berpengaruh terhadap masa aktif suatu jaringan. Metode yang digunakan adalah dengan memperkirakan penggunaan energi selama mengirim, menerima atau saat sensing. Karena energi adalah sesuatu yang sangat terbatas, maka algoritma routing untuk menentukan route yang menggunakan energi yang lebih efisien menjadi prioritas utama dalam mendesain WSN. Berdasarkan pemakaian energi, lifetime sensor dapat ditingkatkan dengan dua cara, yakni menambah suplai energi dan mengurangi konsumsi energi. Metode menambah suplai energi dapat dilakukan dengan menambah kapasitas baterai node sensor. Sedangkan metode mengurangi konsumsi energi dapat dilakukan dengan cara modifikasi rangkaian sensor, menggunakan Operating System yang sederhana serta mendesain protokol dan algoritma jaringan yang menggunakan energi lebih sedikit. 2.

Arsitektur WSN

Pada dasarnya, node WSN merupakan sebuah computer yang memiliki prosesor, memori, dan perangkat standar computer lainnya. Namun untuk kebutuhan khusus pada WSN, setiap sensor node terdiri atas 5 komponen utama: microcontroller unit, transceiver unit, memory unit, power unit dan sensor unit seperti ditunjukkan pada gambar 1..

Gambar 1. Blok diagram arsitektur sebuah Node pada WSN [1]

Unit microcontroller mempunyai tugas yang berbeda, antara lain memproses data dan mengontrol komponen lain pada sebuah node. Mikrokontroler adalah pengontrol utama pada node sensor nirkabel. Unit pengontrol dapat terdiri dari memori on-board atau mungkin terkait dengan unit penyimpanan kecil yang terintegrasi ke dalam embedded board. Ia mengelola prosedur yang memungkinkan node sensor untuk melakukan operasi penginderaan, menjalankan algoritma terkait, dan berkolaborasi dengan node lain melalui komunikasi nirkabel. Lewat unit transceiver, sebuah node sensor melakukan komunikasinya dengan node lain dan bagian lain dari WSN. Ini adalah unit yang mengkonsumsi daya paling banyak. Unit memori untuk penyimpanan sementara dari data yang diindera dan dapat berupa RAM, ROM dan jenis memori lainnya (SDRAM, SRAM, EPROM, dll.), Flash, atau bahkan perangkat penyimpanan eksternal seperti USB. Unit daya merupakan salah satu komponen penting untuk pasokan energi pada node sensor. Daya dapat disimpan dalam baterai (paling umum) dapat diisi ulang atau tidak atau dalam kapasitor. Yang terakhir adalah unit sensor, yang merupakan komponen utama dari node sensor nirkabel yang membedakannya dari sistem tertanam lainnya dengan kemampuan komunikasi. Ini biasanya mencakup beberapa unit sensor, yang menyediakan kemampuan pengumpulan informasi dari dunia fisik. Setiap unit sensor bertanggung jawab untuk mengumpulkan informasi dari jenis tertentu, seperti suhu, kelembaban, atau cahaya, dan biasanya terdiri dari dua sub unit: sensor dan analog to digital converter (ADC). Sinyal analog yang dihasilkan oleh sensor berdasarkan fenomena yang diamati dikonversi menjadi sinyal digital oleh ADC, dan kemudian dimasukkan ke dalam unit pemrosesan.

Gambar 2. Sebuah WSN berkomunikasi dengan internet melalui sink/gateway [1] Setiap node terdiri dari beberapa node sensor (transceiver). Sensor memiliki kemampuan mengumpulkan data dan dapat berkomunikasi dengan gateway dan end user melalui internet/ satelit/ semua jaringan nirkabel (WiFi, WiMAX, selular) dan juga IoT, seperti ditunjukkan pada gambar 2. Sensor memroses data secara local dan mengirimkan data jika diperlukan dan memroses data secara parsial. Pada WSN, sensor dapat memiliki dua fungsi, yaitu Data originators dan Data routers. Dengan alasan ini, maka komunikasi dilakukan dua alasan: • Source function: Peran utama setiap node sensor adalah untuk mengumpulkan data dari lingkungan melalui berbagai sensor. Data yang dihasilkan dari penginderaan lingkungan perlu diproses dan dikirim ke node sensor terdekat untuk pengiriman multi-hop ke sink.

• Router function: Selain data asal, setiap node sensor bertanggung jawab untuk menyampaikan informasi yang dikirimkan oleh node terdekat. Teknik komunikasi berdaya rendah di WSN membatasi jangkauan komunikasi sebuah node. Dalam jaringan besar, komunikasi multi-hop diperlukan agar node menyampaikan informasi yang dikirim oleh node terdekat mereka ke pengumpul data, misal sink. Dengan demikian, node sensor bertanggung jawab untuk menerima data yang dikirim oleh node terdekat dan meneruskan data ini ke salah satu node lainnya sesuai dengan keputusan perutean.

(a) Topology Star

(b) Multi hop Communication

Gambar 3. Topologi WSN [1]

Ketika jangkauan transmisi radio dari semua node sensor cukup besar dan sensor dapat mengirimkan data mereka langsung ke stasiun pangkalan terpusat, mereka dapat membentuk topologi bintang seperti yang ditunjukkan pada gambar 3(a). Dalam topologi ini, setiap node sensor berkomunikasi langsung dengan base station menggunakan satu hop. Namun, jaringan sensor seringkali mencakup area geografis yang luas dan daya transmisi radio harus dijaga seminimal mungkin untuk menghemat energi; akibatnya, komunikasi multi-hop adalah kasus yang lebih umum untuk jaringan sensor (ditunjukkan pada Gambar 3(b)). Dalam topologi mesh ini, node sensor tidak hanya harus menangkap dan menyebarkan data mereka sendiri, tetapi juga berfungsi sebagai relay untuk node sensor lainnya, yaitu, mereka harus berkolaborasi untuk menyebarkan data sensor ke base station. 3.

Aplikasi WSN

Penelitian awal ke WSN didorong oleh aplikasi militer seperti pengintaian dan pengawasan medan perang, deteksi nuklir, biologis, dan serangan kimia, dll. Proyek-proyek ini berfokus pada WSN ad hoc, multihop yang terdiri dari ribuan node bergerak yang secara acak didistribusikan pada area geografis secara lebih besar (misalnya Smart Dust). Node-node itu kecil (hampir tidak terlihat), sangat terbatas sumber dayanya, dan homogen (identik dengan perangkat keras dan lunak). Selanjutnya, munculnya WSN untuk aplikasi sipil di bidang yang berbeda (pemantauan lingkungan, otomatisasi rumah, aplikasi kesehatan, produksi, inventaris, kontrol pengiriman, pertanian, dll) menghasilkan diversifikasi yang signifikan dari persyaratan sehubungan dengan penyebaran, mobilitas, ukuran, biaya, topologi jaringan, lifetime, dll., dan karena itu berkembang

platform WSN akademik dan komersial. Untuk mengatasi persyaratan ini, platform bertambah besar, sumber daya komputasi, dan perangkat keras, serta kompleksitas perangkat lunak [2] 4.

Platform WSN

Dalam dekade terakhir, desain perangkat keras untuk WSN adalah salah satu bidang yang paling banyak diteliti dalam komunitas ilmiah dan beberapa platform perangkat keras untuk WSN telah diusulkan dan diimplementasikan. Desain perangkat keras masih merupakan masalah kritis karena prosesor dengan daya rendah yang efisien secara komputasi, transceiver daya rendah, area penyimpanan yang capabel, umur panjang, ukuran kecil, dan biaya yang rendah[3]. Secara umum, platform yang ada dapat digolongkan menjadi dua berdasarkan kemampuan dan penggunaannya. Berikut platform yang diringkas sebagai platform low-end dan high-end. a. Low-end platform Platform low-end dicirikan oleh kemampuannya yang terbatas dalam hal pemrosesan, memori, dan komunikasi. Platform-platform ini biasanya diperkirakan akan digunakan dalam jumlah besar di WSN untuk menyelesaikan tugas penginderaan dan juga menyediakan infrastruktur konektivitas. Platform berikut ini telah banyak digunakan dalam mengembangkan protokol komunikasi barubaru ini.  Mica Family: Keluarga Mica terdiri dari node Mica, Mica2, MicaZ, dan node-node IRIS dan diproduksi Crossbow. Setiap node dilengkapi dengan 8-bit Atmel mikrokontroler AVR dengan kecepatan 4–16MHz dan 128 KB flash yang dapat diprogram [3]..

Gambar 4. Mica Z

 TelosB / Tmote: Arsitektur yang mirip dengan platform MicaZ telah diadopsi untuk TelosB motes dari Crossbow dan Tmote Sky motes dari Sentilla [3]. Tmote Sky ditampilkan digambar 5. TelosB / Tmote motes memiliki ram besar karena mikrokontroler TI MSP430 8MHz menggunakkan RAM 10 KB

Gambar 5. Tmote Sky board  Eyes and EyesIFX v2: Platform Eyes telah dirancang sebagai hasil dari 3 tahun proyek di Eropa dan mirip dengan arsitektur TelosB / Tmote. Mikrokontroler 16-bit dengan memori program 60 KB dan memori data 2 KB digunakan dalam EYEs

Gambar 6. EyesIFX v2

b. High-end platform  Stargate: Stargate board adalah platform pemrosesan berkinerja tinggi yang dirancang untuk penginderaan, pemrosesan sinyal, kontrol, dan manajemen jaringan sensor. Stargate didasarkan pada prosesor RISC PXA-255 Xscale 400MHz Intel, yang merupakan prosesor yang sama yang ditemukan di banyak komputer genggam termasuk Compaq IPAQ dan Dell Axim. Stargate memiliki memori flash 32MB, SDRAM 64MB, dan konektor onboard untuk

motif keluarga Mika Crossbow serta PCMCIA Bluetooth atau kartu IEEE 802.11. Oleh karena itu, ia dapat berfungsi sebagai gateway nirkabel dan hub komputasi untuk algoritma pemrosesan dalam jaringan. Saat terhubung dengan webcam atau perangkat penangkap lainnya, ia dapat berfungsi sebagai sensor multimedia resolusi menengah [3].

Gambar 7. Stargate  Imote dan Imote2: Intel telah mengembangkan dua generasi prototipe sensor nirkabel, yang dikenal sebagai Imote dan Imote2 untuk aplikasi penginderaan dan gateway berkinerja tinggi. Imote dibangun dengan mikrokontroler nirkabel terintegrasi yang terdiri dari prosesor ARM7 12-bit 8MHz, radio Bluetooth, RAM 64 KB, dan memori flash 512 KB, serta beberapa opsi I / O. Arsitektur perangkat lunak didasarkan pada port ARM TinyOS. Generasi kedua dari motif Intel, Imote2, dibangun di sekitar prosesor PXA271 XScale 32-bit berdaya rendah pada 13-416 MHz, yang memungkinkan operasi DSP untuk penyimpanan atau kompresi, dan radio IEEE 802.15.4 ChipCon CC2420 . Ini memiliki RAM on-board yang besar dan memori flash (32MB), dukungan tambahan untuk radio alternatif, dan berbagai I / O kecepatan tinggi untuk menghubungkan sensor digital atau kamera. Ukurannya juga sangat terbatas, 36 mm × 48 mm × 9 mm, dan dapat menjalankan sistem operasi TinyOS, SOS dan Linux [3].

5.

Operating system

Pengembang aplikasi WSN saat ini memiliki dua pilihan OS yang luas: sistem operasi akademik yang tersedia secara bebas (seperti TinyOS, MANTIS, Contiki, FreeRTOS, dll.), Atau implementasi komersial dari ZigBee standar. Pada pembahasan kali ini, hanya ada akan dibahas

TinyOS, MANTIS, dan ZigBee. Ketiga jenis platform yang dipertimbangkan dalam artikel ini sudah mewakili alternatif yang tersedia. a. MANTIS MANTIS adalah sistem operasi ringan yang mampu multithreading pada jaringan sensor terdistribusi energi terbatas. Penjadwal MANTIS mendukung thread preemption, karenanya respons terhadap peristiwa kritis dapat lebih cepat daripada di TinyOS, yang nonpreemptive. Penjadwal MANTIS berbasis prioritas dengan round robin. Kernel memastikan bahwa semua thread prioritas rendah dijalankan setelah thread prioritas lebih tinggi. Ketika tidak ada thread yang dijadwalkan untuk dieksekusi, sistem beralih ke sleep mode dengan mengeksekusi idlethread. Kernel dan API MANTIS ditulis dalam standar C. b. TinyOS Model pemrograman TinyOS didasarkan pada komponen. Dalam TinyOS, entitas konseptual diwakili oleh dua jenis komponen, modul dan konfigurasi. Komponen mengimplementasikan antarmuka. Interface mendeklarasikan signature dari command dan event yang harus diimplementasikan oleh masing-masing penyedia dan pengguna antarmuka. Events adalah abstraksi perangkat lunak dari peristiwa perangkat keras seperti penerimaan paket, penyelesaian pengambilan sampel sensor, dan sebagainya. Di sisi lain, command digunakan untuk memicu operasi seperti untuk memulai pembacaan sensor atau memulai radio untuk menerima atau mengirim. TinyOS menggunakan mekanisme fase-terpisah, yang berarti bahwa ketika komponen klien memanggil perintah komponen server, ini segera kembali, dan server mengeluarkan event callback balik ke klien ketika selesai. Pendekatan ini disebut split-phase, karena membagi dua dan penyelesaian menjadi dua fase eksekusi yang terpisah. Scheduling TinyOS didasarkan pada paradigma yang digerakkan oleh event di mana acara memiliki prioritas tertinggi, berjalan hingga selesai (misal, Interupsi tidak dapat disarangkan), dan dapat mendahului dan menjadwalkan tasks. Tugas berisi perhitungan utama suatu aplikasi. Aplikasi TinyOS ditulis dalam nesC, yang merupakan perpanjangan dari bahasa C. c. ZigBee ZigBee adalah spesifikasi yang memungkinkan produk yang dapat diandalkan, hemat biaya, berdaya rendah, jaringan nirkabel, pemantauan, dan kontrol berdasarkan standar global terbuka. ZigBee ditargetkan pada domain WSN karena mendukung kecepatan data yang rendah, masa pakai baterai yang lama, dan jaringan yang aman. Pada lapisan fisik dan MAC, ZigBee mengadopsi standar IEEE 802.15.4. Ini termasuk mekanisme untuk membentuk dan bergabung dengan jaringan, mekanisme CSMA untuk perangkat untuk mendengarkan saluran yang jelas, serta mencoba ulang dan pengakuan pesan untuk komunikasi yang andal antara perangkat yang berdekatan. Mekanisme yang mendasari ini digunakan oleh lapisan jaringan ZigBee untuk menyediakan komunikasi ujung ke ujung yang andal dalam jaringan. Standar 802.15.4 tersedia dari [IEEE 2003]. Pada lapisan jaringan, ZigBee mendukung berbagai jenis topologi jaringan seperti Star, Tree, dan Mesh. Spesifikasi ZigBee mendukung jaringan dengan satu koordinator, banyak router, dan banyak perangkat. Koordinator ZigBee bertanggung jawab untuk membentuk jaringan. Perangkat router menyediakan layanan routing, dan juga dapat berfungsi sebagai perangkat akhir. Perangkat

akhir hanya berkomunikasi dengan node router induknya dan tidak dapat menyampaikan pesan yang ditujukan untuk node lain. Rincian spesifikasi ZigBee dapat ditemukan di ZigBee [2002]. 6.

Sinkronisasi Waktu pada WSN

Sinkronisasi waktu dalam jaringan komputer bertujuan untuk menyediakan skala waktu umum untuk jam lokal pada node dalam WSN. Karena semua jam perangkat keras tidak sempurna, waktu pada jam node lokal dapat saling menjauh satu sama lain, maka waktu yang diamati atau durasi interval waktu dapat berbeda untuk setiap node dalam jaringan. Perangkat komputasi sebagian besar dilengkapi dengan jam komputer berbantuan osilator perangkat keras, yang mengimplementasikan perkiraan 𝐶(𝑡) real-time 𝑡. Frekuensi angular osilator pada hardware menentukan kecepatan jam dijalankan. Jam lokal Node di asumsikan [5]: (1) 𝐶𝑖 (𝑡) = 𝑎𝑖 𝑡 + 𝑏𝑖 (2) 𝐶1 (𝑡) = 𝑎12 . 𝐶2 (𝑡) + 𝑏12 Masalah sinkronisasi pada perangkat ke –n dalam WSN sesuai dengan masalah sonkronisasi jam komputer pada perangkat yang berbeda. Sinkronisasi dapat bersifat global; mencoba menyamakan 𝐶𝑖 (𝑡) untuk semua i = 1. . 𝑛, atau bisa lokal; mencoba untuk menyamakan 𝐶𝑖 (𝑡) untuk beberapa set node - terutama yang secara spasial dekat. Skema sinkronisasi harus menyamakan laju jam dan juga offset, atau skema tersebut harus berulang kali mengoreksi offset untuk menjaga jam disinkronkan selama periode waktu tertentu. Algoritma penjadwalan seperti TDMA dapat digunakan untuk berbagi media transmisi dalam domain waktu untuk menghilangkan tabrakan transmisi dan menghemat energi. Dengan demikian, sinkronisasi adalah bagian penting dari penjadwalan transmisi. Skema sinkronisasi tradisional seperti NTP atau GPS tidak cocok untuk digunakan dalam jaringan sensor karena kompleksitas dan masalah energi, faktor biaya dan ukuran. NTP berfungsi dengan baik menyinkronkan komputer di Internet, tetapi tidak dirancang dengan mempertimbangkan keterbatasan energi dan komputasi dari node sensor. Perangkat GPS mungkin terlalu mahal untuk dipasang pada perangkat sensor murah, dan layanan GPS mungkin tidak tersedia di mana-mana, seperti di dalam gedung atau di bawah air. Selanjutnya di lingkungan adfersarial, sinyal GPS mungkin tidak dapat dipercaya [5]. Pada dasarnya sumber kesalahan dalam metode sinkronisasi waktu jaringan dapat diuraikan menjadi empat komponen dasar: i. Send Time: waktu pengiriman pesan ii. Access Time: Setiap paket menghadapi beberapa keterlambatan pada lapisan MAC sebelum transmisi yang sebenarnya (idle atau waiting time for slot TDMA transmision) iii. Propagation Time: waktu yang dihabiskan dalam propagasi pesan antara interface network pengirim dan penerima iv. Receive Time: waktu yang diperlukan untuk interface jaringan penerima untuk menerima pesan dan mentransfernya ke host. Metode sinkronisasi pada WSN: a. Reference Broadcast Synchronization (RBS)

Elson, Girod and Estrin mengusulkan sebuhah skema sinkroninasi untuk sensor networks yang disebut Reference Broadcast Synchronization (RBS). Dalam skema RBS, node mengirim referensi beacon ke tetangga mereka. Referensi beacon tidak termasuk stempel waktu, tetapi sebagai gantinya, waktu kedatangannya digunakan dengan menerima node sebagai titik referensi untuk membandingkan jam. b. Timing-Sync Protocol for Sensor Networks (TPSN) Ganeriwal dkk. mengusulkan protokol sinkronisasi waktu jaringan untuk jaringan sensor, yang mereka sebut Timing-Sync Protocol for Sensor Networks (TPSN) [9]. Protokol mereka bekerja dalam dua fase: ”fase penemuan level"dan “fase sinkronisasi". Tujuan dari fase pertama adalah untuk membuat topologi hirarkis dalam jaringan, di mana setiap node diberi level. Hanya satu node yang ditugaskan level 0, yang disebut node akar. Pada fase kedua, node level i menyinkronkan ke node level i-1. Pada akhir fase sinkronisasi, semua node disinkronkan ke node root dan sinkronisasi seluruh jaringan tercapai. c. Tiny-Sync and Mini-Sync Adalah dua algoritma sinkronisasi ringan, yang diusulkan terutama untuk jaringan sensor, oleh Sichitiu dan Veerarittiphan. Para penulis berasumsi bahwa setiap jam dapat didekati oleh osilator dengan frekuensi tetap. Intuisi dasar di balik algoritma tiny-sync dan mini-sync adalah pengamatan bahwa tidak semua titik data berguna. Mengikuti intuisi ini, Tiny-sync hanya menyimpan empat kendala-kendala yang menghasilkan batasan terbaik pada perkiraan di antara semua titik data. Algoritma yang dihasilkan jauh lebih sederhana daripada menyelesaikan masalah pemrograman linier. Namun, penulis berpendapat, dengan contoh-contoh, bahwa skema ini tidak selalu memberikan solusi optimal untuk batasan: Algoritma dapat menghilangkan beberapa titik data, menganggapnya tidak berguna, meskipun sebenarnya akan memberikan ikatan yang lebih baik bersama-sama dengan titik data lainnya itu belum terjadi. Mini-sync adalah ekstensi dari Tiny-sync, sehingga menemukan solusi optimal dengan peningkatan kompleksitas. Idenya adalah untuk mencegah algoritma tiny-sync untuk menghilangkan kendala yang mungkin digunakan oleh beberapa titik data masa depan untuk memberikan batas yang lebih ketat. Kami melewatkan detailnya di sini, tetapi pada dasarnya penulis menentukan kriteria untuk menentukan apakah ada kemungkinan kendala dapat berguna. Batasan dihilangkan (dibuang) hanya jika itu benar-benar tidak berguna. Solusi yang ditemukan oleh Mini-sync optimal. d. Lightweight Tree-based Synchronization (LTS) Lightweight Tree-based Synchronization (LTS) yang diusulkan oleh Greunen dan Rabaey dibedakan dari karya lain dalam arti bahwa tujuannya bukan untuk memaksimalkan akurasi, tetapi untuk meminimalkan kompleksitas sinkronisasi. Jadi akurasi sinkronisasi yang dib...