Wireless sensor network Pertemuan ke-13

Wireless Sensor Network (1) “A wireless sensor network (WSN) is a wireless network consisting of spatially distributed autonomous devices using sensors to cooperatively monitor physical or environmental conditions, such as temperature, sound, vibration, pressure, motion or pollutants, at different locations.”

Wireless Sensor Network (2) Sebuah jaringan yang menghubungkan perangkat-perangkat seperti sensor node, router dan sink node. Perangkat ini terhubung secara ad-hoc dan mendukung komunikasi multi-hop. Istilah ad-hoc merujuk pada kemampuan perangkat untuk berkomunikasi satu sama lain secara langsung tanpa memerlukan infrastruktur jaringan seperti router atau akses point. Sedangkan multi-hop yaitu istilah yang merujuk pada komunikasi beberapa perangkat yang melibatkan perangkat antara (intermediate), multi-hop melibatkan perangkat antara seperti router untuk meneruskan sebuah paket dari satu node ke node lain dalam jaringan.

Wireless Sensor Network (3) Wireless Sensor Network (WSN) adalah kelas baru dalam jaringan komputer yang terdiri dari beberapa sensor nodes yang saling berkomunikasi dan bekerja sama untuk mengumpulkan data-data dari lingkungan sekitar, misalnya suhu, tekanan udara, kelembapan udara dan beberapa parameter lingkungan lainnya.

Wireless Sensor Network (4) Sebuah sensor node memiliki dua komponen, yaitu mote dan sensor. Sensor selalu melekat pada mote. Mote bertanggung jawab untuk penyimpanan, komputasi dan komunikasi. Sensor bertanggung jawab untuk penginderaan fenomena fisik seperti suhu, cahaya, suara, getaran, dan lain sebagainya. Sensor node mengumpulkan data dan dapat melakukan pengolahan di jaringan pada data yang dikumpulkan di intermediate node sebelum meneruskan ke pusat pengumpulan (sink atau base station) untuk analisis atau pengolahan lebih lanjut.

Formed by hundreds or thousands of motes that communicate with each other and pass data along from one to another Research done in this area focus mostly on energy aware computing and distributed computing

Mote (1) A very low cost low power computer Monitors one or more sensors A Radio Link to the outside world Are the building blocks of Wireless Sensor Networks (WSN)

Mote (2)

Mote (3) Fungsi dan kemampuan mote berbede-beda: Sensor node: yaitu node yang berfungsi untuk membaca data lingkungan atau objek yang dipantau, node ini dilengkapi dengan satu atau beberapa perangkat sensor. Node ini dapat dibagi menjadi dua jenis. Pertama, Node dengan kemampuan standar dan kedua yaitu Node yang telah dilengkapi fasilitas yang lebih kaya seperti CCD camera, wireless LAN, logger, Webserver, dsb. Router: yaitu node yang berfungsi untuk meneruskan paket data dari sebuah node ke node lain. Node ini berguna untuk keperluan komunikasi multi-hop. Dalam aplikasi nyata, kita dapat memprogram sebuah Sensor Node bertindak sebagai router. Sink Node: yaitu node yang berfungsi untuk mengumpulkan data penginderaan dari Sensor Node, kemudian meneruskannya ke perangkat atau sistem lain, seperti ke database server untuk penyimpanan. Sink juga berfungsi sebagai penyebar paket dari perangkat atau sistem lain ke WSN, misalnya untuk keperluan pemrograman atau konfigurasi ulang sensor node secara remote

Mote (4)

arsitektur dasar WSN WSN terdiri dari tiga Sensor Node dan sebuah Sink yang terhubung dan berkomunikasi melalui gelombang radio. Sensor Node 2 dan Sensor Node 3 dapat berkomunikasi secara langsung (ad-hoc). Sementara jika ingin berkomunikasi dengan Sink, keduanya dapat mengirim paket datanya melalui Sensor Node 1, Sensor Node 1 yang akan meneruskan paket tersebut ke Sink Node. Sensor Node 1 sekaligus bertindak sebagai perantara (router) untuk menyediakan komunikasi multi-hop. Sebuah aplikasi WSN seringkali melibatkan banyak node (ratusan hingga ribuan).

Arsitektur WSN secara umum

Sebuah landscape WSN

Karakteristik Wireless sensor network Daya / power yang dapat disimpan atau dipanen sangat terbatas Kemampuan menahan kondisi lingkungan yang keras. Device yang digunakan kemungkinan diletakkan di daerah yang mungkin saja bersuhu ekstrim atau di daerah daerah berbahaya Mobilitas dari node dan topologi jaringan yang dinamis. Device yang digunakan bisa saja lokasinya berpindah – pindah, misalkan sensor yang diletakkan pada armada truck pengiriman barang Adanya kemungkinan kegagalan komunikasi ataupun kesalahan operasi Heterogenitas dari node, baik dari segi hardware (ukuran sensor, device yang digunakan, dan lain-lain) maupun software. Jumlah node dalam wireless sensor network bisa diperbanyak, yang membatasi jumlahnya adalah bandwidth dari gateway

Ilustrasi scenario penggunaan WSN

Perangkat lunak pada mote Sistem operasi WSN yang banyak digunakan saat ini TinyOS Contiki Nano-RK LiteOS RTOS Operating sistem yang digunakan pada node sensor network tidak terlalu komplek jika dibandingkan dengan Operating sistem pada umumnya. OS ini lebih mirip dengan embeded sistem karena dua alasan. Pertama, WSN diterapkan dengan fungsi – fungsi yang khusus. Kedua, WSN memerlukan desain yang murah dan menggunakan energi kecil, sehingga hal ini mendorong node – node tersebut harus menggunakan mikrokontroler daya rendah. Mikrokontroler tidak akan menjalankan mekanisme – mekanisme yang tidak terlalu penting, misalnya virtual memory, karena hal itu terlalu sulit dijalankan.

Hardware Salah satu tantangan dalam bidang WSN adalah pembuatan sensor node yang hemat energi dan sekecil mungkin. Sensor node diibaratkan seperti komputer kecil, dengan kemampuan dasar seperti  bagian tampilan dan komponen-komponen lain yang ada di dalamnya.

Komponen WSN Transceiver, Berfungsi untuk menerima / mengirim data dengan menggunakan protokol IEEE 802.15.4 kepada  device lain seperti concentrator, modem Wifi, dan modem RF. Mikrokontroler, Berfungsi untuk melakukan fungsi perhitungan, mengontrol dan memproses device-device yang terhubung dengan mikrokontroler. Power Source, Berfungsi sebagai sumber energi bagi sistem WSN secara keseluruhan. External Memory, Berfungsi sebagai tambahan memory bagi sistem WSN, pada dasarnya sebuah unit mikrokontroler memiliki unit memory sendiri. Sensor, Berfungsi untuk men-sensing besaran-besaran fisis yang hendak diukur. Sensor adalah suatu alat yang mampu untuk mengubah suatu bentuk energi ke bentuk energi lain, dalam hal ini adalah mengubah dari energi besaran yang diukur menjadi energi listrik yang kemudian diubah oleh ADC menjadi deretan pulsa terkuantisasi yang kemudian bisa dibaca oleh mikrokontroler.

Penerapan WSN Monitoring Area Monitoring keadaan lingkungan / alam Agriculture/ Peratanian Smart Home Wearable Healthcare Devices Driverless Vehicles / Automobiles

Monitoring Area Monitoring area merupakan penerapan yang paling umum dari WSN. Pada monitoring area, WSN ditempatkan pada suatu daerah dimana terdapat fenomena yang akan dimonitor. Militer menggunakan ini untuk mendeteksi adanya serangan atau penyusup, sedangkan penggunaan sipil misalnya untuk memagari pipa – pipa gas atau oil.

Monitoring keadaan lingkungan / alam

Agriculture/ Pertanian

Smart Home Sensor-sensor pada WSN mampu mengukur berbagai macam data lingkungan, misalnya suhu, tingkat tinggi/rendah suara, intensitas cahaya, dan lain sebagainya, sehingga device atau manusia dapat mengambil keputusan berdasarkan perubahan yang terjadi pada lingkungan sekitar rumah. Sebagai contoh : perubahan suhu udara di luar ruangan dapat kita ketahui dengan perubahan warna lampu di dalam ruangan. Contoh lainnya adalah produk Tado dapat mengatur sistem pemanas ruangan berdasarkan keberadaan orang di dalam ruangan tersebut, atau berdasarkan cuaca.

Wearable Healthcare Devices Perkembangan kesehatan tubuh kita dapat dimonitor dengan menggunakan sensor yang dibenamkan dalam pakaian, misal: smart sensing oleh Citizen sciences, atau dalam device yang dapat dipakai, misal: iHealth, PULSE atau gelang.

Driverless Vehicles / Automobiles Sensor-sensor yang terpasang pada beberapa bagian suatu mobil memberikan informasi yang berguna bagi pusat pemrosesan data di mobil tersebut untuk mencegah terjadinya tabrakan. Selain itu, dengan bantuan data dari hasil pemrosesan gambar dari kamera yang terpasang di mobil atau bantuan data dari GPS membuat mobil bisa berjalan atau parkir ke tempat tujuannya secara otomatis. Beberapa perusahaan otomotif seperti BMW, Chevrolet dan Audi telah mengaplikasikan teknologi ini kedalam mobil andalannya.

Mica2 Clone

Data Mule DataMule – a mobile entity present in the environment that will pick up data from the mote when in range, buffer it, and drop off the data at base station ex: People, Vehicles, Livestock

Data Mule Leaf Node Base Station Data Mule

Data Mule

Data Mule Base Station

Data Mule - Applications Collecting a data in a sparse sensor network Tracking movement of mobile elements Vehicles Livestock Wild Animals

Data Mule Base Station

Data Mule - Research undertaken Development of a TDMA/CSMA hybrid MAC TinyOS currently has a CSMA MAC Hope to improve throughput by employing TDMA Time is divided into transmission periods and contention periods Nodes will contend with each other to join “the transmission group” during the contention period. Nodes in the transmission group will be allocated a time-slot in the transmission period. Development of data storage engine optimized for fast retrieval