1.  Latar Belakang

Kemajuan teknologi yang terintegrasi dan sensor serta alat komukasi CMOS membuat desain sensor network tetap hidup. Pada saat ini desain sistem mengambil karakteristik yang sangat berbeda dengan desktop dan server tradisional guna mendorong fungsi tertentu, 3 komponen lainnya seperti sistem lengkap pada chip, komunikasi daya rendah terpadu, dan transduser daya rendah terintegrasi yang akan memunculkan sensor jaringan. Pada awal era komputer bermunculan, beberapa aturan pada fungsionalitas komputer diberlakukan oleh “Hukum Moore”. Level fungsionalitas yang diberlakukan yaitu unit yang lebih kecil, lebih murah, dan bertenaga rendah.

Dasar blok bangunan mikrokontroler sekarang termasuk tidak hanya memori dan pengolahan, namun memori non-volatile dan sumber daya antarmuka, seperti DAC, ADC, UART, pengendali interupsi. Komunikasi sekarang dapat mengambil bentuk kabel, jarak pendek RF, infrared, optik dan berbagai teknik lainnya. Sensor sekarang berinteraksi dengan berbagai bidang dan kekuatan untuk mendeteksi cahaya, panas,posisi, gerakan, dan sebagainya. Saat ini sensor jaringan dapat dibangun menggunakan komponen komersial pada skala inci persegi dan sebagian kecil dari watt dalam kekuasaan. Mereka menggunakan satu atau lebih mikrokontroler terhubung ke berbagai perangkat sensor dan chip transceiver kecil.

Makalah ini memberikan eksplorasi awal  arsitektur sistem untuk sensor jaringan. Teknologi kunci yang hilang adalah perangkat lunak sistem dukungan untuk mengelola dan mengoperasikan perangkat. Untuk mengatasi masalah ini, telah dikembangkan microthreaded kecil operating system atau yang lebih dikenal dengan TinyOS.

 

2. Karakteristik Sensor Jaringan

Pada bagian ini menjelaskan hal-hal yang menjadi karakter sensor jaringan pada umumnya :

Ø  Ukuran kecil dan konsumsi daya rendah

Ø  Concurrency-intensif operasi

Ø  Pararelisme fisik yang terbatas dan hirarki controller

Ø  Keragaman dalam design dan penggunaan

Ø  Pengoperasian yang kuat

 

3.1 Organisasi Perangkat Keras

Prosesor MCU (ATMEL 90LS8535) yang konvensional menerima begitu banyak perhatian, ini adalah arsitektur 8-bit Harvard dengan alamat 16-bit in menyediakan sebanyak 32 8-bit register  umumnya dan berjalan 4 MHz dan 3,0 V. sistem ini sangat membatasi memori yang memiliki 8KB flash sebagai memori program dan 512 byte SRAM sebagai memori data MCU dirancang sedemikian rupa sehingga prosesor tidak bisa menulis untuk instruksi memori. . 3 LED merupakan output yang terhubung dengan I/O port; mereka dapat digunakan untuk menampilkan nilai digital atau status. Foto sensor merupakan perangkat input analog dengan garis kontrol sederhana. Radio merupakan komponen yang penting sebagai perangkat I/O asynchronous dengan real time.Kontrol sinyal mengkonfigurasi radio untuk beroperasi baik mengirimkan, menerima , atau mode power-off. Sensor suhu (Analog Devices AD7418) merupakan kelas  sensor digital yang memiliki internal A/D konverter dan antarmuka lebih standar. Port serial merupakan perangkat bitlevel asynchronous dengan dukungan byte tingkat kontroler. Coprocessor merupakan perangkat yang terhubung dengan cara yang memungkinkan untuk memprogram ulang mikrokontroler. Sensor dapat memprogram dengan mentransfer data dari jaringan ke coprocessor ini dengan 256Kb. Ekstensi desain masa depan dengan mengikuti 2 jalur yaitu membuat desain lebih modular dan sistematis serta menambahkan kemampuan selfmonitoring.

 

3.2 Karakteristik Kekuatan

1

Tabel diatas menjelaskan skenario yang dipakai untuk menguji komponen perangkat keras pada saat aktif, idle, dan tidak aktif. Penghematan terbesar didapatkan dengan membiarkan komponen yang tidak terpakai tetap tidak aktif sebisa mungkin. Sistem harus memegang filosofi bekerja secepat mungkin dan langsung mode tidur.

 

4. Tiny Microthreading Operating System (TinyOS)

Ukuran fisik yang kecil, beban daya yang mencukupi, dan ukuran kecil beban daya saat tidak aktif disediakan oleh desain perangkat keras. Dibutuhkan framework operating system yang memiliki karakteristik tersebut dengan cara mengatur kapabilitas perangkat keras secara efektif.

2

Sistem diatas dirancang untuk mendukung persilangan komponen perangkat lunak ke perangkat keras. Hal ini bertolak belakang dengan gagasan tradisional pada paradigma komputer yang telah ada.

Pada desain ini, tenaga adalah sumber daya yang berharga. Pendekatan secara event dipercaya akan membangun sistem yang menggunakan sumber daya CPU secara efisien.  

 

4.1 Desain TinyOS

Sistem konfigurasi yang lengkap terdiri dari penjadwalan mini dan graph dari komponen. Sebuah komponen memiliki empat bagian yang saling berhubungan.

  • Command Handler
  • Event Handler
  • Frame
  • Task

 

4.2 Contoh Komponen

Komponen yang digunakan haruslah dapat melakukan 2 tipe pekerjaan, yaitu :

  • Dapat mengirimkan pemberitahuan ketika berhasil melakukan transmisi
  • Dapat menerima pemberitahuan ketika berhasil menerima transmisi

 

4.3 Tipe-Tipe Komponen

Secara keseluruhan setiap komponen terbagi menjadi 3 kategori, yaitu :

  • Hardware Abstraction Components

Hardware abstraction bertugas memetakan physical hardware menjadi  model komponen.

  • Synthetic Hardware Components

Synthetic Hardware bertugas mensimulasikan kebiasaan dari perangkat keras yang
dipakai.

  • High Level Software Components

High Level Software bertugas untuk melakukan kontrol dan routing semua perubahan
data.

 

4.4 Menyatukan Semua Komponen

Ada 3 alat I/O yang harus dapat digunakan, yaitu :

  • Network
  • Light Sensor
  • Temperature Sensor

Network bertugas menerima pesan ataupun data yang masuk. Sedangkan Light Sensor dan Temperature Sensor bertugas melakukan inputan sesuai fungsi masing-masing.

3

 

5. Evaluasi

Tabel dibawah menunjukan ukuran dalam byte code dan data yang digunakan dalam sistem.

4

Menurut karakteristik sensor jaringan :

Concurrency-intensive operation – tabel diatas menunjukan aspek context switch speed yang berkalibrasi dengan basis hardware cost untuk memindahkan byte pada memory. Hal ini sebanding dengan menyalin 1 byte data. Ini merupakan hal yang penting untuk mencapai efisiensi modular.

5

Efficiency modularity – tabel diatas menunjukan cost dari tiap-tiap komponen.

Limited physical parallelism and controller hierarchy – pada tabel ukuran dan kode data tiap komponen diatas menunjukan distribusi energi tiap komponen software pada saat terpakai dalam transmisi data aktif. Bahkan dalam keadaan aktif tersebut, processor tidak bekerja selama 50% yang sisa waktunya dapat digunakan untuk mengakses sensor lain.

Diversity in usage and robust operation – fleksibilitas dari arsitektur ini telah diuji dari pembangunan contoh aplikasi terhadap struktur modular sistem diatas. Sebagai tambahan, aplikasi multi-hop routing yang dipakai dapat dengan otomatis mengkonfigurasi ulang dirinya sendiri untuk bertahan dari kegagalan node individu yang menjadikan seluruh sistem tersebut lebih kuat.

 

6. Implikasi Arsitektur

Dengan menggunakan arsitektur ini telah dibuktikan bahwa dimungkinkan untuk mengatur alur data dengan menggunakan sebuah mikrokontroler. Keterhubungan antar sistem juga dibutuhkan untuk mendukung model komunikasi yang efisien. Software yang bertugas mengeksekusi perintah dan hardware yang mendukung eksekusi tersebut haruslah sesuai.

 

Sumber : System Architecture Directions for Networked Sensor

Jason Hill, Robert Szewczyk, Alec Woo, Seth Hollar, David Culler, Kristofer Pister
Department of Electrical Engineering and Computer Sciences
University of California, Berkeley
Berkeley, CA