Oleh ;  Mochammad Haldi Widianto

 

Semakin banyak hal di dunia kita yang terhubung ke internet, menciptakan apa yang secara populer disebut Internet of Things (IoT). Untuk teknologi komunikasi yang berbeda dengan konsumsi daya yang rendah, banyak komunikasi IoT nirkabel telah diusulkan dan digunakan. Teknologi komunikasi standar ini termasuk Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi, atau seluler (3G/4G). Pertimbangan komprehensif dari faktor-faktor utama seperti jangkauan komunikasi, konsumsi daya rendah, anggaran tautan dan lainnya, teknologi ini tidak cukup cocok untuk beberapa aplikasi IoT yang membutuhkan saluran komunikasi jarak jauh dengan kecepatan data rendah dan konsumsi daya yang dioptimalkan. LoRa adalah solusi jaringan area luas berdaya rendah yang dirancang khusus untuk perangkat IOT yang mengirim dan menerima sejumlah kecil data dalam jangkauan beberapa kilometer dengan konsumsi daya minimal.

Gambar 1. Arsitektur LoRa

Aplikasi berbasis LoRa terdiri dari perangkat akhir, gateway dan server jaringan atau aplikasi web yang dihosting di cloud. Di tengah diagram diusulkan gateway yang terdiri dari komputer mini Raspberry Pi dan add-on board LoRa. Di bagian kiri diagram menggambarkan satu atau lebih perangkat akhir LoRa. Bagian kanan diagram menggambarkan interaksi dengan aplikasi web yang dihosting cloud menggunakan platform cloud RESTful APIs dan protokol MQTT. Data dan informasi yang berguna dapat diakses oleh pengguna yang berwenang melalui desktop, aplikasi web, dan aplikasi seluler. Topologi jaringan antara perangkat akhir dan gateway adalah struktur bintang. Perangkat dan gateway akhir terhubung secara nirkabel menggunakan komunikasi LoRa. Gateway dan server jaringan terhubung menggunakan koneksi backhaul IP biasanya Ethernet atau 4G dengan komunikasi seperti protokol RESTful HTTP dan MQTT. Dalam arsitektur dasar di atas, gateway proposal adalah komponen kunci yang bertindak hanya sebagai relai dua arah, atau konverter protokol, dengan aplikasi web yang dihosting cloud bertanggung jawab untuk mendekode paket yang dikirim oleh perangkat akhir dan menghasilkan paket yang harus dikirim kembali ke perangkat ujung.

Gambar 2. Block Diagram LoRa

Antarmuka MCU (mikrokontroler) dengan modul transceiver RF melalui protokol SPI dan menjalankan banyak fungsi perangkat lunak seperti pengambilan sampel data dari sensor eksternal, mengirim sinyal kontrol ke aktuator eksternal, memformat data sensor ke dalam format muatan protokol LoRa dan menjadwalkan pesan LoRa ke gateway. Untuk memenuhi fungsi yang disebutkan di atas, ada banyak mikroprosesor yang cocok dan lebih murah untuk dipilih, misalnya seri ST Micro Cortex-M0 MCU STM32F030F4. Transceiver RF mengubah data dari MCU dengan antarmuka dan protokol SPI menjadi sinyal radio analog dengan memodulasinya ke frekuensi pembawa RF. Ini juga menerima pesan radio RF yang masuk, melakukan demodulasi, mengubah sinyal analog kembali ke digital dan meneruskan pesan radio yang masuk ke MCU. Modul yang terdiri dari Semtech SX1276 ultra long range spread spectrum wireless transceiver ditujukan untuk aplikasi pada rentang frekuensi yang luas misalnya pita ISM 433MHz di Cina. Sangat cocok untuk proyek penelitian ini. Perangkat Akhir tersedia antarmuka I/O periferal termasuk UART dan I2C melalui komunikasi tersebut dengan peralatan eksternal untuk menyelesaikan tugas seperti melihat atau mengatur parameter, dll. Ini dapat berupa pemancar/penerima mandiri, atau sebagai bagian dari sistem IoT yang lebih kompleks.

Gambar 3. Gateway Lora Melalui Raspi

Papan tambahan LoRa adalah papan ekspansi RPi berdasarkan Semtech SX1268. Ini mencakup pita frekuensi 433MHz dan memungkinkan transmisi data hingga 5km melalui port serial UART. Ini juga memiliki banyak karakteristik yang sangat baik seperti tingkat yang lebih tinggi, jarak komunikasi yang lebih jauh, konsumsi yang lebih rendah, keamanan yang lebih baik dan anti-interferensi. Sangat cocok untuk berbagai aplikasi kontrol industri. Raspberry Pi 3B+ memiliki dua pengontrol UART bernama mini UART dan pl011UART yang dapat digunakan untuk antarmuka serial UART. Dalam proyek ini, UART mini yang digunakan untuk komunikasi dengan papan tambahan LoRa dipetakan ke TXD (GPIO 14) dan RXD (GPIO 15) pada header ekstensi 40PIN GPIO. RPi 3 ditenagai eksternal menggunakan kabel micro-USB yang terhubung ke catu daya 5V yang diberi nilai untuk menghasilkan arus setidaknya 2.500 mA untuk stabilitas dan keandalan sistem. Antena adalah komponen kunci untuk mencapai jarak maksimum dalam komunikasi nirkabel antara perangkat akhir dan gateway. Dalam proyek ini, antena eksternal digunakan untuk memperluas jangkauan komunikasi sistem.

Dalam penelitian ini, penulis mengusulkan prototipe gateway IoT berbasis LoRa menggunakan komputer mini Raspberry Pi berukuran kecil yang murah dan papan sirkuit cetak plug-in dengan sirkuit terintegrasi yang diperlukan untuk pemrosesan data. Komposisi perangkat keras yang relevan dan desain perangkat lunak dijelaskan secara rinci. Sistem terdiri dari perangkat atau node, gateway, dan layanan cloud. Protokol komunikasi yang digunakan antara perangkat dan gateway adalah LoRa dengan kinerja luar biasa dibandingkan dengan teknologi pesaing lainnya, dan antara gateway dan layanan cloud adalah TCP/IP menggunakan jaringan kabel atau nirkabel. Gateway penelitian paling cocok untuk membangun saluran komunikasi jarak jauh dengan kecepatan data rendah dalam beragam aplikasi seperti pemantauan kondisi mesin dan aplikasi otomatisasi manufaktur. Ini juga dapat digunakan untuk mengganti beberapa bagian dari solusi baru atau yang sudah ada yang memerlukan konektivitas nirkabel dan aplikasi cloud IoT. Dengan implementasi sampel berdasarkan gateway proposal, hasilnya terutama berasal dari kualitas desain sistem yang baik, jarak antara perangkat akhir dan gateway yang proposal capai hingga 5 km karena modul lora berfungsi dengan baik.

Namun demikian, dengan beberapa masalah kecil yang ditemui dalam proyek ini, dan gateway proposal dirancang hanya dari awal sebagai aplikasi IoT berbasis LoRa. Selanjutnya, gateway harus menyediakan dukungan protokol yang luas dan komprehensif. Bagaimanapun, gateway LoRa saluran tunggal terbatas dibandingkan dengan gateway multichannel yang kompatibel dengan LoRaWAN standar industri nyata. Pekerjaan peneliti di masa depan akan fokus pada perluasan saluran tunggal ke multisaluran yang kompatibel dengan LoRaWAN dengan memilih chipset RF yang lebih mahal seperti SX1301/SX1278 daripada SX1272/SX1276 dalam desain perangkat keras dan mengadopsi protokol LoRaWAN berfitur lengkap dalam perangkat lunak, dan kemudian, perbaikan semacam ini gateway dapat menangani data yang datang dari banyak perangkat akhir secara bersamaan. Sebagai imbalannya, ini akan memberi pengguna akhir fleksibilitas yang lebih besar dalam menerapkan aplikasi yang paling sesuai dengan bisnis spesifik mereka

REFERENSI

Changqing Sun, Fuquan Zheng, Guangxu Zhou, Kun Guo, “ Design and Implementation of Cloud-based Single-channel LoRa IioT Gateway Using Raspberry Pi,” Proceedings of the 39th Chinese Control Conference July 27-29, 2020, Shenyang, China, Institute of Automation, Qilu University of Technology (Shandong Academy of Sciences) Shandong Provincial Key Laboratory of Automotive Electronics Technology