Sistem Wireless Sensor Network Berbasis Arduino Uno dan...

5
Sistem Wireless Sensor Network Berbasis Arduino Uno dan Raspberry Pi untuk Pemantauan Kualitas Udara di Cempaka Putih Timur, Jakarta Pusat Ahmad Sabiq 1 , Nurmaya 2 , Topan Alfarisi 3 123 Teknik Informatika Universitas YARSI Jl. Let. Jend. Suprapto, Cempaka Putih, Jakarta Pusat, Indonesia 10410 1 [email protected], 2 [email protected], 3 [email protected] Abstract- The measurement of air quality done by KLHK only at one point of each city, thus the result can not become a reference to measure air quality in all location of one area especially at Cempaka Putih Jakarta. Wireless Sensor Network (WSN) is a technology that can be utilized for monitoring air quality in one area. This paper describes the developing of WSN on open-source hardware platform such as Arduino for node sensor, and Raspberry Pi for node sink. Each node is connected through mesh network using Xbee Series-2 modul. The experiment result showed the development result of WSN system that could monitor the air condition such as temperature, humidity, CO and CO 2 level, and put the air condition data into a database. The air condition information can be showed on sink or other devices connected to the local network through the web application. Keywords-component : Wireless Sensor Network, Air Quality, Arduino, Raspberry Pi. AbstrakPengukuran kualitas udara yang dilakukan oleh KLHK hanya pada satu titik untuk satu kota, sehingga hal ini tidak bisa menjadi acuan untuk mengukur kualitas udara di seluruh lokasi pada suatu wilayah terutama di daerah Cempaka Putih Jakarta. Wireless Sensor Network (WSN) merupakan teknologi yang dapat digunakan untuk memantau kondisi udara di beberapa titik dalam suatu wilayah. Pada paper ini dipaparkan pengembangan WSN pada platform perangkat keras open source, yaitu Arduino pada node sensor dan Raspberry Pi pada node sink. Setiap node terhubung melalui jaringan mesh berbasis ZigBee menggunakan modul XBee Series-2. Dari hasil pengujian didapatkan sistem WSN yang dirancang dapat memantau data udara seperti suhu, kelembapan, kadar CO dan CO 2 serta menyimpannya ke dalam database. Informasi kualitas udara tersebut dapat ditampikan pada sink ataupun perangkat lain yang terhubung ke jaringan lokal melalui aplikasi web. Kata kunci : Wireless Sensor Network, Kualitas Udara, Arduino, Raspberry Pi. I. PENDAHULUAN Kualitas udara di DKI Jakarta khususnya di Jakarta Pusat, menurut hasil pengukuran Kementrian Lingkungan Hidup dan Kehutanan (KLHK) tergolong sedang[1], 2016), namun pengukuran yang dilakukan oleh KLHK hanya pada satu titik untuk satu kota, sehingga hal ini tidak bisa menjadi acuan kualitas udara untuk seluruh lokasi yang ada di wilayah Jakarta Pusat. Pencemaran udara di Provinsi DKI Jakarta pada umumnya bersumber dari kondisi lalu lintas kendaraan bermotor (sumber bergerak) [2]. Sehingga untuk mengukur dampak polusi udara dibutuhkan pengukuran beberapa parameter pada beberapa tempat yang berbeda pada suatu wilayah. Kelurahan Cempaka Putih Timur merupakan daerah yang cukup ramai dan berada di daerah Jakarta Pusat bagian timur. Di Kelurahan Cempaka Putih Timur terdapat beberapa beberapa perguruan tinggi seperti Unversitas YARSI, Universitas Muhammadiyah Jakarta, Universitas Trisakti Kampus F, Politeknik STMI dan , serta terdapat dua Rumah Sakit yaitu Rumah Sakit Islam Jakarta dan Rumah Sakit Pertamina Jaya serta terdapat beberapa perkantoran dan pusat kuliner yang menjadikan daerah ini selalu memiliki aktifitas selama 24 jam tanpa henti. Gambar 1. Sistem Wireless Sensor Network Wireless Sensor Network (WSN) atau jaringan sensor nirkabel [3] merupakan jaringan ad-hoc multi-hop nirkabel yang terdiri dari node berupa sensor nirkabel dan sink sebagai tujuan pengiriman data seperti yang ada pada gambar 1. Biaya alat yang murah namun dapat memberikan informasi lingkungan seperti suhu, tekanan, pencemaran udara dengan mengkonsumsi daya rendah, adalah keuntungan penggunaan WSN [4-5]. Dengan menggunakan WSN, kondisi dan kualitas udara atau tingkat polusi udara berupa kandungan gas karbon monoksida (CO) dan Liquid Petroleum Gas (LPG) dapat dibaca menggunakan sensor dan kemudian dikirimkan kepada sink untuk kemudian diolah menjadi informasi [6]. Ardiuno platform, sebuah open-source electronic platform, dapat digunakan dalam merancang node sensor pada WSN. Data yang didapatkan dari sensor secara real time kemudian dimasukkan ke dalam sebuah database server melalui jaringan dengan menggunakan Raspberry Pi. Data tersebut dapat diakses secara real time melalui web server. Raspberry Pi adalah sebuah base station yang CITEE 2017 Yogyakarta, 27 Juli 2017 ISSN: 2085-6350 Departemen Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM 301

Transcript of Sistem Wireless Sensor Network Berbasis Arduino Uno dan...

Page 1: Sistem Wireless Sensor Network Berbasis Arduino Uno dan ...citee.ft.ugm.ac.id/2017/download51.php?f=50- Ahmad Sabiq...CO di udara, serta modul Xbee Series-2 untuk menghubungkan sensor

Sistem Wireless Sensor Network Berbasis Arduino Uno dan

Raspberry Pi untuk Pemantauan Kualitas Udara di Cempaka Putih

Timur, Jakarta Pusat

Ahmad Sabiq1, Nurmaya

2, Topan Alfarisi

3

123Teknik Informatika Universitas YARSI

Jl. Let. Jend. Suprapto, Cempaka Putih, Jakarta Pusat, Indonesia 10410 [email protected],

[email protected],

[email protected]

Abstract- The measurement of air quality done by KLHK only

at one point of each city, thus the result can not become a

reference to measure air quality in all location of one area

especially at Cempaka Putih Jakarta. Wireless Sensor

Network (WSN) is a technology that can be utilized for

monitoring air quality in one area. This paper describes the

developing of WSN on open-source hardware platform such

as Arduino for node sensor, and Raspberry Pi for node sink.

Each node is connected through mesh network using Xbee

Series-2 modul. The experiment result showed the

development result of WSN system that could monitor the air

condition such as temperature, humidity, CO and CO2 level,

and put the air condition data into a database. The air

condition information can be showed on sink or other devices

connected to the local network through the web application.

Keywords-component : Wireless Sensor Network, Air Quality,

Arduino, Raspberry Pi.

Abstrak— Pengukuran kualitas udara yang dilakukan oleh

KLHK hanya pada satu titik untuk satu kota, sehingga hal

ini tidak bisa menjadi acuan untuk mengukur kualitas

udara di seluruh lokasi pada suatu wilayah terutama di

daerah Cempaka Putih Jakarta. Wireless Sensor Network

(WSN) merupakan teknologi yang dapat digunakan untuk

memantau kondisi udara di beberapa titik dalam suatu

wilayah. Pada paper ini dipaparkan pengembangan WSN

pada platform perangkat keras open source, yaitu Arduino

pada node sensor dan Raspberry Pi pada node sink. Setiap

node terhubung melalui jaringan mesh berbasis ZigBee

menggunakan modul XBee Series-2. Dari hasil pengujian

didapatkan sistem WSN yang dirancang dapat memantau

data udara seperti suhu, kelembapan, kadar CO dan CO2

serta menyimpannya ke dalam database. Informasi kualitas

udara tersebut dapat ditampikan pada sink ataupun

perangkat lain yang terhubung ke jaringan lokal melalui

aplikasi web.

Kata kunci : Wireless Sensor Network, Kualitas Udara,

Arduino, Raspberry Pi.

I. PENDAHULUAN

Kualitas udara di DKI Jakarta khususnya di Jakarta Pusat, menurut hasil pengukuran Kementrian Lingkungan Hidup dan Kehutanan (KLHK) tergolong sedang[1], 2016), namun pengukuran yang dilakukan oleh KLHK hanya pada satu titik untuk satu kota, sehingga hal ini tidak bisa menjadi acuan kualitas udara untuk seluruh lokasi yang ada di wilayah Jakarta Pusat. Pencemaran udara di Provinsi DKI Jakarta pada umumnya bersumber dari kondisi lalu lintas kendaraan bermotor (sumber

bergerak) [2]. Sehingga untuk mengukur dampak polusi udara dibutuhkan pengukuran beberapa parameter pada beberapa tempat yang berbeda pada suatu wilayah.

Kelurahan Cempaka Putih Timur merupakan daerah yang cukup ramai dan berada di daerah Jakarta Pusat bagian timur. Di Kelurahan Cempaka Putih Timur terdapat beberapa beberapa perguruan tinggi seperti Unversitas YARSI, Universitas Muhammadiyah Jakarta, Universitas Trisakti Kampus F, Politeknik STMI dan , serta terdapat dua Rumah Sakit yaitu Rumah Sakit Islam Jakarta dan Rumah Sakit Pertamina Jaya serta terdapat beberapa perkantoran dan pusat kuliner yang menjadikan daerah ini selalu memiliki aktifitas selama 24 jam tanpa henti.

Gambar 1. Sistem Wireless Sensor Network

Wireless Sensor Network (WSN) atau jaringan sensor nirkabel [3] merupakan jaringan ad-hoc multi-hop nirkabel yang terdiri dari node berupa sensor nirkabel dan sink sebagai tujuan pengiriman data seperti yang ada pada gambar 1. Biaya alat yang murah namun dapat memberikan informasi lingkungan seperti suhu, tekanan, pencemaran udara dengan mengkonsumsi daya rendah, adalah keuntungan penggunaan WSN [4-5]. Dengan menggunakan WSN, kondisi dan kualitas udara atau tingkat polusi udara berupa kandungan gas karbon monoksida (CO) dan Liquid Petroleum Gas (LPG) dapat dibaca menggunakan sensor dan kemudian dikirimkan kepada sink untuk kemudian diolah menjadi informasi [6]. Ardiuno platform, sebuah open-source electronic platform, dapat digunakan dalam merancang node sensor pada WSN. Data yang didapatkan dari sensor secara real time kemudian dimasukkan ke dalam sebuah database server melalui jaringan dengan menggunakan Raspberry Pi. Data tersebut dapat diakses secara real time melalui web server. Raspberry Pi adalah sebuah base station yang

CITEE 2017 Yogyakarta, 27 Juli 2017 ISSN: 2085-6350

Departemen Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM 301

Page 2: Sistem Wireless Sensor Network Berbasis Arduino Uno dan ...citee.ft.ugm.ac.id/2017/download51.php?f=50- Ahmad Sabiq...CO di udara, serta modul Xbee Series-2 untuk menghubungkan sensor

terdiri dari database server dan web server yang dibangun pada platform perangkat keras komputer [4]. Hal ini membuat Raspberry Pi memiliki kompleksitas yang tidak tinggi sehingga mudah untuk dikembangkan, dan tidak mengkonsumsi biaya yang tinggi.

Untuk mentransmisikan data hasil pembacaan sensor dari node sensor ke node sink, koneksi melalui Bluetooth dapat digunakan untuk mengimplemetasikan jaringan ad-hoc multi-hop pada sistem WSN [7]. Perangkat berbasis ZigBee seperti XBee juga dapat digunakan untuk mengimplementasikan jaringan ad-hoc multi-hop pada WSN [5][8]. ZigBee merupakan jaringan mesh nirkabel bertenaga rendah, berdaya rendah, yang dibangun di atas standard IEEE 802.15.4 [9-10]. Protokol ZigBee berstandard 802.15.4 sekarang ini tersedia di pasaran yang dapat digunakan untuk membuat purwarupa sistem nirkabel, seperti seri modul XBee dari Digi yang menerapkan standard IEEE 802.15.4 dan protokol jaringan ZigBee [11].

Pada penelitian ini dikembangkan sebuah Wireless Sensor Network (WSN) berbasis Arduino dan Raspberry Pi untuk mengukur kualitas udara dari beberapa tempat yang terhubung melalui jaringan ZigBee, sehingga data kondisi kualitas udara, seperti suhu, kelembapan, kadar CO dan CO2 di lingkungan tersebut dapat tersimpan dan dapat dipantau melalui node sink serta perangkat perangkat lain yang terhubung ke node sink melalui jaringan lokal.

II. METODE PENELITIAN

A. Rancangan Sistem

Sistem Pemantauan yang dirancang terdiri beberapa perangkat node sensor yang dapat mengirimkan pesan berupa data yang dibaca dari sensor yang terpasang melalui jaringan nirkabel berbasis ZigBee ke node pusat atau sink, perangkat node sensor yang digunakan juga harus dapat meneruskan paket data dari perangkat lain ke sink. Data yang diterima oleh sink kemudian disimpan ke dalam database, pada server data diolah untuk menjadi informasi yang dapat ditampilkan dan dapat diakses dari laman web melalui jaringan lokal yang diilustrasikan pada gambar 2.

Gambar 2. Desain rancangan sistem

B. Perancangan Node Sensor

Node sensor yang disebar dirancang untuk dapat membaca data suhu, kelembapan, kualitas udara, gas CO, intensitas cahaya dan kondisi hujan atau tidak. Skema rancangan node sensor ditunjukan pada gambar 3, pada rancangan tersebut digunakan perangkat Mikrokontroller Arduino, sensor DHT22 (Suhu & Kelembapan), sensor MQ-135(Udara), MQ-7(Gas CO), serta modul Xbee sebagai pengirim data secara nirkabel.

Aplikasi yang dibangun untuk dijalankan pada mikrokontroller di modul Arduino berjalan seperti pada diagram alir yang ditunjukan pada gambar 4. Sensor nod akan melakukan pembacaan nilai besaran fisis dari sensor-sensor yang terpasang. Setelah data dari semua sensor didapatkan, data tersebut dikirimkan ke node sink melalui jaringan ZigBee menggunakan modul XBee yang terpasang.

Gambar 3. Desain rancangan node sensor

Gambar 4. Diagram alir aplikasi pada node sensor

C. Perancangan Node Sink

Pada Node Sink digunakan perangkat komputer single board Raspberry Pi 3 Model B sebagai pusat diterimanya

ISSN: 2085-6350 Yogyakarta, 27 Juli 2017 CITEE 2017

302 Departemen Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM

Page 3: Sistem Wireless Sensor Network Berbasis Arduino Uno dan ...citee.ft.ugm.ac.id/2017/download51.php?f=50- Ahmad Sabiq...CO di udara, serta modul Xbee Series-2 untuk menghubungkan sensor

data kiriman dari node sensor. Perangkat ini memiliki spesifikasi CPU tipe ARMv8 dengan kecepatan 1.2GHz 64-bit quad-core dan memori LPDDR2 SDRAM 1GB. Untuk dapat menerima data yang dikirim dari sensor node melalui jaringan ZigBee, modul Xbee Serie2 dihubungkan ke Raspberry Pi melalui pin GPIO seperti yang ditunjukan pada gambar 5.

Gambar 5. Desain rancangan node sink

Diagram fungsional dari node sink yang dirancang

dengan Raspberry Pi dan XBee terdiri dari aplikasi

gateway, database dan aplikasi web yang ditunjukan

pada gambar 6. Data yang diterima oleh modul XBee

dibaca oleh aplikasi gateway yang dibangun mengunakan

Procesing di atas sistem operasi Ubuntu Mate. Oleh

aplikasi gateway tersebut data sensor disimpan ke dalam

database MySQL. Untuk mengolah data sensor

dibuatkan aplikasi web menggunakan PHP pada web

server Apache. Data yang diolah kemudian ditampilkan

dalam bentuk data dan chart melalui web browser baik

dari perangkat Raspberry Pi ataupun dari perangkat lain

yang terhubung melalui jaringan lokal.

Gambar 6. Diagram fungsional node sink

Aplikasi gateway yang dibuat pada node sink

dirancang dengan alur seperti pada gambar 7. Setelah

melakukan inisialisasi awal, dilakukan pengecekan secara

berulang apakah ada data yang diterima dari modul XBee,

jika data diterima dilakan pembacaan node pengirim dari

data tersebut. Setelah diketahui node pengirim, data

dipisahkan antara data suhu, kelembapan, CO dan MP.

Setelah data dari semua sensor di setiap node dipisahkan,

berikutnya data disimpan ke dalam tabel database.

Gambar 7. Diagram alir aplikasi gateway pada node sink.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari rancangan yang telah dibuat, node sensor diimplementasikan seperti pada gambar 8. Pada node sensor dibuatkan program yang ditanam pada Arduino UNO menggunakan Arduino IDE sesuai dengan diagram alir pada gambar 4. Arduino yang telah diprogram dihubungkan dengan sensor DHT22 untuk membaca nilai suhu & kelembapan, sensor MQ-135 untu membaca nilai kualitas udara, sensor MQ-7 untuk membaca kadar gas CO di udara, serta modul Xbee Series-2 untuk menghubungkan sensor node ke jaringan. Sumber tegangan dari sensor node menggunakan Aki 12V yang telah disesuaikan keluarannya dengan rangkaian regulator tegangan. Sedangkan sink node diimplementasikan menggunakan Raspberry Pi yang dihubungkan dengan modul XBee Series-2 dan sebuah LCD Display untuk menampilkan data yang terekam, serta dibuatkan aplikasi gateway yang dapat menerima data dari sensor node yang dikirim ke sink node melalui perangkat XBee, data yang dibaca tersebut kemudian disimpan dalam database menggunakan Processing sesuai dengan alur pada gambar 7.

CITEE 2017 Yogyakarta, 27 Juli 2017 ISSN: 2085-6350

Departemen Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM 303

Page 4: Sistem Wireless Sensor Network Berbasis Arduino Uno dan ...citee.ft.ugm.ac.id/2017/download51.php?f=50- Ahmad Sabiq...CO di udara, serta modul Xbee Series-2 untuk menghubungkan sensor

Gambar 8. Implementasi node sensor

Sistem yang telah dibuat diuji dengan memasang node sink dan node sensor yang tersebar di sekitar Universitas YARSI Cempaka Putih Timur Jakarta Pusat. Gambar 9 menunjukan sebaran 5 buah sensor node di tempat-tempat yang banyak dilewati para pejalan kaki dan pengendara serta dapat menjangkau sink node baik secara langsung maupun melalui sensor node lainnya. Node sink ditempatkan di kampus Universitas YARSI. Jarak Antara sensor node 1 dengan sink adalah 25 meter, sensor node 2 dengan sink 45 meter, sensor node 2 dengan sensor node 3 adalah 40 meter, sensor node 3 dengan sensor node 4 adalah 40 meter, serta sensor node 4 dengan sensor node 5 adalah 50 meter.

Gambar 9. Sebaran wireless sensor network di daerah cempaka putih

timur.

Gambar 10. Tampilan antarmuka node sink.

Gambar 11. Tampilan data pada node dalam bentuk grafik.

Hasil pembacaan data sensor hasil pengujian yang tersimpan dan ditampilkan melalui aplikasi web ditunjukan pada gambar 10. Data terbaru dari suhu, kelembapan, kadar CO dan CO2 yang didapatkan dari kelima sensor node dapat ditampilkan. Data dari masing-masing node juga dapat ditampilkan dalam bentuk grafik seperti pada gambar 11 yang memberikan informasi perubahan suhu, kelembapan, kadar CO dan CO2 selama beberapa jam terakhir. Informasi kualitas udara tersebut dapat diakses dari sink melalui panel LCD yang disediakan ataupun dari perangkat lain yang terhubung melalui jaringan lokal melalui aplikasi web.

ISSN: 2085-6350 Yogyakarta, 27 Juli 2017 CITEE 2017

304 Departemen Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM

Page 5: Sistem Wireless Sensor Network Berbasis Arduino Uno dan ...citee.ft.ugm.ac.id/2017/download51.php?f=50- Ahmad Sabiq...CO di udara, serta modul Xbee Series-2 untuk menghubungkan sensor

IV. KESIMPULAN

WSN berbasis Arduino dan Raspberry Pi digunakan dalam membangun sistem pemantauan kualitas udara yang dapat diakases melalui jaringan lokal. Node sensor yang dibangun di atas platform Arduino berhasil menangkap data suhu, kelembapan, kadar CO dan CO2 di daerah cempaka putih. Data yang dikumpulkan oleh sink dari sensor dimasukkan kedalam database server dan diolah menjadi sebuah informasi yang dapat diakses melalui aplikasi web. Pada penelitian berikutnya akan dikembangkan sistem WSN yang dapat diakses melalui internet dan perangkat genggam untuk membantu mobilitas masyarakat urban khususnya di daerah Jakarta.

REFERENSI

[1] Kementrian Lingkungan Hidup dan Kehutanan. 2016. Indeks

Standard Pencemaran Udara (ISPU) Propinsi DKI Jakarta. http://iku.menlhk.go.id/index/index/kabkota/3173/prop/31/id/ID-JK. Diskses tanggal 25 April 2016.

[2] Rahmi H. 2015. Kualitas Udara DKI Jakarta. Jakartapedia: Ensiklopedia Warga Jakarta. Diperoleh dari: http://jakartapedia.bpadjakarta.net/index.php/Kualitas_Udara_DKI_Jakarta [diakses 15 April 2016].

[3] P Rawat, KD Singh, H Chaouchi, JM BonninPriyanka, R., Kamal D.S., Hakima C. dan Jean M.B. 2014. Wireless sensor networks: a survey on recent developments and potential synergies. The

Journal of Supercomputing, April 2014, Volume 68, Issue 1, pp 1-48

[4] A. Boubrima, W. Bechkit, H. Rivano, A. Ruas, “Wireless Sensor Networks Deployment for Air Pollution Monitoring,” TAP 2016 – 21st International Transport and Air Pollution Conference, Lyon, France, May 2016.

[5] A. R. Jaladi, K. Khithani, P. Pawar, K. Malvi, G. Sahoo, “Environmental Monitoring Using Wireless Sensor Networks (WSN) based on IOT,” International Research Journal of Engineering Technology (IRJET), vol. 04, no. 1, pp. 1371-1378, 2017.

[6] QA Al-Haija, H Al-Qadeeb, A Al-Lwaimi. 2013. Case study: Monitoring of air quality in king Faisal University using a microcontroller and WSN. Procedia Computer Science, 21, 517-521.

[7] AR Kasar, DS Khemnar, NP Tembhurnikar, 2013. WSN based air pollution monitoring system. International Journal of Science and Engineering Applications, 2(4), 55-59.

[8] D. Kulkarni, S. Shaikh, A. Shirsath, & T. Kadam, 2015. Traffic and Weather Monitoring System Using Wireless Sensor Networks. International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering, 4(3).

[9] ZigBee Alliance, http://www.zigbee.org/zigbee-for-developers/

[10] IEEE 802.15 WPAN Task Group 4 (TG4), http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html

[11] Digi XBee/RF Solution, 802.15.4, https://www.digi.com/products/xbee-rf-solutions

CITEE 2017 Yogyakarta, 27 Juli 2017 ISSN: 2085-6350

Departemen Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM 305