Review Paper Energy efficient wireless sensor network and low power consumption station design for an urban water level monitoring system

Energy efficient wireless sensor network and

low power consumption station design for an

urban water level monitoring system

Tuan-Duc Nguyen

International University, Vietnam National University of Hochiminh-city, Vietnam

Email: ntduc@hcmiu.edu.vn

Fanny Ramadhana

Universitas Sumatera Utara

Medan,Indonesia

Fannyramadhana2@gmail.com

Abstract-Paper ini menyajikan kerangka kerja mengenai wireless sensor network(wsn) yang di desain untuk mengatasi masalah perubahan iklim. penulis paper ini mengusulkan membangun arsitektur sistem wireless sensor network  untuk memantau atau memonitoring secara real time tingkat ketinggian air. sensor – sensor yang di letakkan di kanal sungai dan jalan-jalan di sejumlah daerah nantinya akan memonitori tingkat ketinggian level air yang ada lalu sensor tersebut mengirim data yang di dapat ke data center yang ada dan selanjutnya data tersebut diolah oleh data center menjadi informasi di sebuah website atau sebagainya sehingga orang-orang di kota dapat mengetahui kondisi yang sedang terjadi di daerah meraka secara real time sehingga apabila akan terjadi banjir mereka dapat melakukan kegiatan antisipasi secepatnya. di di dalam paper ini sangat mendukung penggunaan konsumsi energi dan daya yang rendah , maka dari itu penulis paper ini memilih untuk menggunakan panel surya dalam penggunaan daya nya.

Keywords—Efisiensi energy;wireless sensor network; daya rendah;sensor tekanan; hemat biaya;  ketinggian air; monitoring;

      I.           PENDAHULUAN

     Seiring dengan timbulnya masalah perubahan iklim yang membawa dampak terjadinya hujan secara terus menerus dan mengakibatkan debit air yang tinggi dimana kondisi tersebut akan mengakibatkan banjir yang dapat mengganggu aktivitas di  masyarakat .Maka dari itu untuk mengurangi efek bahaya dari banjir tersebut di bangunlah sebuah sistem yang dapat memantau atau memonitori tingkat ketinggian air yang ada di sungai ataupun kanal – kanal yang ada di kota.

   Pada kasus ini system menggunkan wireless sensor network (WSN). WSN adalah suatu peralatan sistem embedded yang didalamnya terdapat satu atau lebih sensor dan dilengkapi dengan peralatan sistem komunikasi. Sensor disini digunakan untuk menangkap informasi sesuai dengan karakteristik . .karena kemampuannya yang dapat menangkap informasi yang di butuhkan secara real time wireless sensor network (WSN) di anggap sebagai salah satu cara baru untuk memantau dan meningkatkan hubungan antara manusia dan lingkungan. Sebuah WSN secara umum dapat digambarkan sebagai jaringan
node yang kooperatif merasakan dan dapat mengontrol
lingkungan, yang memungkinkan interaksi antara orang atau

Komputer dan sekitarnya lingkungan. Bahkan, aktivitas penginderaan,pengolahan, dan komunikasi dengan terbatas

Jumlah energi, Membakar desain cross-layer Pendekatan biasanya membutuhkan pertimbangan bersama di distribusikan

Sinyal / pengolahan data, media kontrol akses, dan komunikasi protokol .Sistem yang di buat harus memiliki konsumsi daya yang rendah maka dari itu  dipilihlah tenaga surya sebagai supply daya dan baterai.

    II.         DESAIN SISTEM SECARA KESELURUHAN

              Sistem yang dirancang oleh penulis paper ini

            terdiri dari:

1. Ketika terjadi hujan lebat secara terus menerus makasistem akan memantau tingkat ketinggian  air di seluruh kota dan juga akan mencari tingkat ketinggian air dikanal sungai dan  tingkat banjir yang terjadi dijalanan di daerah – daerah kota secra real time

2. Kemudian hasil paramater dari monitoring atau pemantauan tingkat ketinggian air baik yang dikanal sungai maupun yang di jalanan akan di kirim secara real time ke pusat data dengan menggunakan jaringan 3G / GPRS. Dalam sistem aplikasi pengumpulan data seperti ini ada banyak keuntungan yang di dapat dari perpaduan penggunaan wireless sensor network dengan jaringan seluler diantaranya lebih cepat dan lebih efisien dalam   mengirim informasi. Karena seperti yang kita tahu sangatlah mudah untuk mendapatkan sinyal 3G/GPRS.Keuntungan lainnya yaitu biaya hardware yang rendah karena tidak ada kebutuhan untuk mengintegrasikan GPRS / modem 3G untuk semua stasiun pemantauan

3.      Informasi atau data yang berisikan tingkat ketinggian airakan di kumpulkan ke data center. Lalu data center akan mengolahnya sehingga nantinya pengguna dapat lebih mudah mengaksesnya dengan website.

    

  Menurut saya desain keseluruhan sistem yang dirancang sudah bagus mulai dari pemantauan yang dilakukan oleh sensor tekanan di kanal sungai dan jalan-jalan di kota, hingga pengiriman data yang di peroleh ke data center. Hanya saja menurut saya penyebaran informasi yang telah di olah oleh data center ke masyarakat dengan menggunakan website dan sinyal 3G kurang efisien Karena mengingat  masih ada beberapa daerah yang belum mendapatkan akses sinyal 3G .

Selain itu jika dalam kedaan kondisi darurat seperti bencana alam,cuaca ekstrim,badai atau sebagainya maka akan mengakibatkan sinyal 3G atau GPRS menjadi sulit untuk di dapatkan Karena provider mengurangi kanal data untuk mentransmisikan . Sedangkan pada kondisi seperti ini sinyal GSM masih bisa di dapat oleh Karena itu sebaiknya pengiriman informasi kepada pengguna atau masyarakat tidak hanya menggunakan sinyal 3G tapi  juga biasa mengirim informasi tersebut melalui sms center.

   III.        EFESIENSI PENGGUNAAN WIRELESS SENSOR NETWORK

Pada bagian ini berfokus untuk membahas mengenai  pencarian hadware wireless sensor network yang cocok untuk digunakan pada siste monitoring tingkat ketinggian air. Dalam penerapan system ini sangat dibutuhkan hardware nirkabel dengan biaya rendah dan juga memiliki konsumsi daya yang rendah dan tentunya juga dapat diandalkan untuk ditransmisikan dilingkungan perkotaan.

Pada table I terdapat perbandingan tiga transceiver yaitu MRF24J40MD,CC1120,CC1110 penulis paper memilih menggunakan perangkat CC1110 karena dinilai memiliki keuntungan yang lebih baik dari segi biaya yang dikeluarkan

 

Tabel 1 Perbandingan node dari wsn

Berdasarkan kebutuhan pembuatan system monitoring tingkat ketinggian air ,hardware yang di perlukan haruslah memenuhi beberapa kriteria seperti memiliki daya output yang tinggi,biaya yang rendah,konsumsi daya yang rendah ,sensitivitas yang  baik dan jangkauan transmisi yang jauh maka CC1110 lah yang memiliki jangkauan transmisi terpanjang di bandingkan dengan CC1110 dan MRF24J40MD Terutama, selain itu alasan WSN yang paling penting untuk penelitian ini karena menggunakan baterai, yang dapat digunakan oleh baterai surya dan baterai AA normal untuk rencana cadangan. Dalam karya ini, kita menggunakan modul nirkabel untuk kit pengembangan CC1120 Selain itu, Texas Instrument (TI) juga mendukung protokol bernama SimpliciTI untuk hardware mereka, yang merupakan protokol yang sangat baik yang dirancang untuk TI rendah jaringan frekuensi radio daya. Protokol ini mendukung dua topologi jaringan sederhana: peer-to-peer dan topologi star. Dengan topologi star, sangat cocok untuk penelitian ini karena sederhana dan beradaptasi dengan model base station dengan mendukung dengan 4 range extender.

 Berikut beberapa keunggulan CC110  

     

·         CC1110 mimiliki tingkat ketinggian transmisi yang dapat diandalkan yaitu 1,2 kbps dan sensitivitas -110 dBm dengan tingkat kesalahan paket 10-2 sedangkan pada ZigBee memiliki tingkat kesalahan 10-3 dalam kondisi tingkat sensitivitas yang sama sedangkan pada MRF24J40MD konsumsi energinya jauh lebih tinggi

·         CC1110 memiliki transmisi rentang transmisi lebih lama di bandingkan CC1110 dan MRF24J40MD yang memiliki rentang 1,2 Km serta dapat mengirimkan sinyal sejauh 550m .sementara itu, meskipun MRF24J40MD merupakan produk keluaran terbaru milik ZigBee namun ia hanya dapat mengirimkan sinyal sejauh 350m meskipun telah di lengkapi dengan power amplifier.

·         Produk keluaran terbaru milik ZigBee yaitu MRF24J40 nyatanya tidak memiliki jangkauan transmisi yang lebih baik dari CC1110 karena ia bekerja  freakuensi 2,4 GHz.pada frekuensi ini terdapat banyak kendala saat mentransmisikan sinyal. Keadaan ini juga tidak cocok jika digunakan untuk melakukan pemantauan tingkat ketinggian air Karena ia tidak sanggup untuk menyerap banyak air

 IV.   Desain Station Pemantau Tingkatan Air yang Rendah Daya

Terdapat beberapa pertimbangan desain hardware yang digunakan agar sistem pemantauan tingkat ketinggian air ini nantinya menggunakan daya yang rendah pertimbangan tersebut meliputi empat sektor yaitu sensor, data logger, komunikasi gateway dan power supply(sumber daya).

1    Sensor tekanan adalah solusi yang cocok untuk system monitoring tinngkat ketinggian air  Karena sensor ini mampu beradaptasi untuk pemantauan ketinggian air selain itu sensor ini juga memiliki fungsi pengindraan yang baik

2.)     Data LoggerData logger berfungsi untuk mencatat data lingkungan dari sensor.dengan menggunakan kartu SD maka data dapat disimpan selama beberapa bulan.Data logger sendiri termasuk salah satu program elektronik instrumen berbasis pada mikrokontroler

3.)      Komunikasi Gateway berfungsi untuk menghubungkan ke data logger,untuk komunikasi antarmuka denganeksternal komunikasi. Dengan empat port UART pada chip,
AT-mega2560 baik cocok untuk komunikasi dengan berbagai modul komunikasi.

4.)      Power Supply di perlukan untuk  bertahan di
saat kondisi cuaca ekstrim dan untuk operasi jangka panjang,penulis paper mengusulkan sistem power supply surya dengan cadangan baterai yang membantu stasiun pemantauan bekerja di Setidaknya 7 hari tanpa mengisi ulang.

  Jadi menurut saya pemilihan sensor tekanan untuk sistem monitoring tingkat ketinggian air sangatlah tepat , Karena sensor tekanan mampu beradaptasi dengan tingkat ketinggian air yang ada di jalanan kota maupun di kanal sungai selain itu sensor tekanan juga memiliki fungsi pengindraan yang lebih baik.

   Sedangkan untuk power supply yang menggunakan energi panel  surya juga merupakan pilihan yang tepat karena manajemen daya sangatlah penting untuk operasi jangka panjang. Dalam cuaca ekstrim di harapkan baterai dapat bertahan hidup hingga 7 hari tanpa mengisi ulang, Hanya saja menurut saya pembangunan panel surya memerlukan biaya yang lebih besar dibandingkan dengan pemakaian arus listrik biasa.

     V.  ESTIMASI KONSUMSI DAYA OLEH SISTEM   MONITORING TINGKAT KETINGGIAN AIR

      Energi panel surya memberikan solusi yang efektif untuk mencapai efisiensi energi yang dihitung dengan rasio waktu aktif dan total waktu.modem wireless yang digunakanakan aktif selama 30 detik setiap 15 menit untuk pengumpulan data .lalu CC110 akan mentransmisikan data setiap 15 menit.sensor akan mengambil daya sebesar 3,3% dan transceiver mengambil 6,7%.dengan menggunakan hasil dari waktu teoritis untuk pengisian selanjutnya 4500mAH.12V / 207MW = 260 jam (atau 10,8 hari) pada kenyataannya baterai lead-acid tidak bisa dibuang berulang kali oleh Karena itu penting untuk melakukan penilaian pada baterai , pada umumnya sebesar 25%. Dalam hal

ini, 25% dari 260 jam adalah 65 jam.  Jadi 260 jam - 65 jam =
195 jam (atau 8,1 hari). Oleh karena itu, baterai dapat mendukung sistem selama lebih dari 7 hari tanpa pengisian ulang.

    Menurut saya estimasi konsumsi daya yang di rancang hingga baterai dapat bertahan selama 7 hari sudadh sangat bagus. Ini merupakan sebuah trobosan baru bagi teknologi wireless sensor network . dengan menggunakan energi surya maka sensor tidak perlu lagi mengharapkan tenaga listrik. Penggunaan energi dari panel surya juga tidak memakan banyak energi sehingga tujuan penulis untuk menggunakan daya rendah pun telah tercapai.

   VI.        Kesimpulan

  Pada paper ini perancangan sistem monitoring tingkat ketinggian level air dengan menngunakan energi surya merupakan solusi yang sangat cocok untuk masalah perubahan iklim dan hujan yang terjadi secara terus menerus. Dimulai dari desain sistem,efesiensi penggunaan wireless sensor network, hingga estimasi konsumsi daya di jelaskan secara detail dan kompleks oleh penulis.komponen – komponen yang dipilih untuk merancang sistem tersebut juga sangat tepat dan tentunya dengan biaya yang rendah.Namun ada baiknya jika sensor yang digunakan untuk memonitori keadaan secara real time tersebut tidak hanya berfokus kepada tingkat ketinggian air , ada baiknya jika di tanbahkan dengan parameter iklim lainnya seperti kecepatan angina,arah angin,suhu,koonduktivitas, dan ph. Sehingga masyarakat dapat mengetahui lebih lanjut mengenai kondisi yang sedang terjadi secara lebih kompleks.

References

[1]        Z. Rasin and M. R. Abdullah, “Water quality monitoring system using zigbee based wireless sensor network,” International Journal of Engineering & Technology IJET, vol. 9, no. 10, pp. 24–27, 2009.

[2]      C. Lu, B. M. Blum, T. F. Abdelzaher, J. A. Stankovic, and T. He, "RAP: A Real-TimeCommunication Architecture for Large-Scale Wireless Sensor Networks,"Proceedings of IEEE Real-Time and Embedded Technology and Applications Symposium (RTAS), September 2002.

[3]      J. Bartram and R. Ballance, ”Water Quality Monitoring - APracticalGuide to the Design and Implementation of Freshwater Quality Studiesand Monitoring Programmes”,Edited by Published on behalf of UnitedNations Environment Programme and the World Health Organization,ISBN 0 419 22320 7 (Hbk) 0 419 21730 4 (Pbk), 1996.

[4]      https://pdfs.semanticscholar.org/e7ce/3546d1c1beb618da6f356a8e5455a1fd0276.pdf

[5]      http://www.yuvaengineers.com/energy-efficient-design-of-climate-change-monitoring-system-based-on-ubiquitous-wsns-using-solar-cell-s-srivani-j-deenamani/

[6]       J. Arun, J. Adinarayana, U. Desai et al., “Climate change scenarios with wireless sensor network & geo-ict: a preliminary observation,” in Proceedings of the Impact of Climatic Change in Agriculture, Joint International Workshop, 2009, pp. 194–199.

[7]      A. Bagula, M. Zennaro, G. Inggs, S. Scott, and D. Gascon, “Ubiquitous sensor networking for development (usn4d): An application to pollution monitoring,” Sen-sors, vol. 12, no. 1, pp. 391–414, 2012.