Paper Review: Desain dan Implementasi IoT SCADA Berbasis Open Source, Berbiaya Rendah Menggunakan Sistem ESP32 dengan Protokol OLED, ThingsBoard dan MQTT

Paper Review oleh Intan Paramita, Ayu Kristianty Ferina, dan Elok Aflakhah

Editor: Amalia Zahra, S.Kom., Ph.D.

Referensi:

Aghenta, L. O., & Iqbal, M. T. (2020). Design and implementation of a low-cost, open source IoT-based SCADA system using ESP32 with OLED, ThingsBoard and MQTT protocol. AIMS Electronics and Electrical Engineering, 4(1), 57-86. https://doi.org/10.3934/ElectrEng.2020.1.57

PENDAHULUAN

Selama puluhan tahun, operasional jaringan utilitas seperti sistem ketenagalistrikan banyak memanfaatkan sistem SCADA (supervisory control and data acquisition) yang berguna untuk pengawasan jarak jauh, koordinasi kontrol dan akuisisi data dari bermacam sensor, aktuator, dan perlengkapan berbagai alat di lapangan yang dikoneksikan pada berbagai titik vital. Selain itu, SCADA juga dapat membantu dalam efisiensi pengumpulan data dari bermacam alat yang terdistribusi tersebut, aktualisasi sistem pengawasan jarak jauh dan pemeliharaan pada arus, tegangan, dan daya. Sistem SCADA yang ada saat ini umumnya dikembangkan secara komersial berbasis paten.

Pada makalah Aghenta dan Iqbal (2020), disajikan prototipe desain, pengembangan, dan penerapan sistem arsitektur IoT SCADA berbasis open source dengan mengupayakan solusi berbiaya rendah, berdaya rendah, andal, dan menggunakan komponen yang mudah didapatkan untuk penerapan sistem SCADA sesuai kebutuhan. Prototipe sistem SCADA ini dapat bekerja dengan baik dalam pengujian secara menyeluruh menggunakan sumber pembangkit listrik standalone, yaitu sistem fotovoltaik surya (PV) yang dibuat dari panel surya dan sistem penyimpanan energi baterai dengan pengaturan yang sama pada sistem tenaga hibrida ringan. Makalah tersebut berkontribusi dalam:

1. Menerapkan instalasi server IoT ThingsBoard yang mana server data utama ditempatkan pada mesin on-premise yang di-hosting secara langsung pada transmisi jaringan data lokal.
2. Menerapkan operator lokal yang aktual terhadap antarmuka pengawasan data menggunakan tampilan layar ESP32 OLED yang dikonfigurasikan untuk menampilkan data aktual.
3. Setelah melakukan studi terhadap ketersediaan solusi SCADA komersial, lalu menyusun tutorial penerapan dengan pendekatan terhadap sistem IoT SCADA berbasis open source yang akan berguna sebagai acuan bagi siapapun yang berencana melakukan hal yang serupa.

Dalam makalah tersebut diterapkan kombinasi dari strategi manajemen terhadap jaringan privat dan server cloud privat untuk memastikan keamanan prototipe sistem IoT SCADA berbasis open source yang diajukan. Untuk menjaga keamanan sistem, server IoT ThingsBoard yang digunakan di-hosting langsung pada mesin Raspberry Pi, serta dibentuk jaringan Wi-Fi privat dengan menggunakan router Wi-Fi, saat transfer data dirancang menggunakan protokol transfer data MQTT pada jaringan Wi-Fi agar hanya pengguna yang memiliki otoritas saja yang dapat mengakses data tersimpan.

KONFIGURASI DAN KOMPONEN SISTEM

Pada Gambar 1.,  mikrokontroler Raspberry Pi yang menghosting server ThingsBoard IoT (MQTT Broker) terhubung melalui kabel Ethernet ke jaringan Memorial University of Newfoundland (MUN). Meskipun konfigurasi ini memberikan banyak fleksibilitas namun dapat menimbulkan risiko keamanan data yang disimpan karena pengguna internet eksternal dapat mengakses data yang disimpan dari jarak jauh.

Pada Gambar 2., internet publik tidak digunakan, dan router Wi-Fi digunakan untuk membuat jaringan wireless industrial sehingga hanya pengguna yang berwenang di sekitar yang dapat mengakses data PV yang tersimpan di platform server ThingsBoard IoT. Ini dilakukan dengan menghubungkan mesin Raspberry Pi yang menghosting server ThingsBoard IoT ke salah satu port LAN dari Router Wi-Fi.  Konfigurasi ini juga memastikan pengguna jaringan MUN umum agar tidak dapat mengakses data yang tersimpan di cloud, sehingga menjamin keamanan data yang disimpan. Firewall dan otentikasi diatur pada router untuk menjamin keamanan sistem.

Dalam kedua konfigurasi, MQTT client (perangkat OLED ESP32) memproses dan memublikasikan data sensor ke MQTT Broker (server ThingsBoard) menggunakan protokol MQTT pada koneksi Wi-Fi TCP/IP yang dibuat dengan router. Adapun komponen yang digunakan dalam kedua konfigurasi adalah:

1. Sensor
   1. Dua modul sensor tegangan elektronik MH yang mampu mendeteksi pasokan tegangan antara 0,025 V sampai 25 V menggunakan 12-bit ADC.
   2. Sensor arus ACS 712.
2. TTGO ESP32 LoRa32 OLED micro-controller (RTU)
3. Raspberry Pi single-board computer, dijalankan pada sistem operasi Raspbian, server IoT ThingsBoard (MQTT Broker) diinstalasi pada komputer Raspberry Pi.
4. Wi-Fi Router untuk keamanan dan akses kontrol, koneksi jaringan Wi-Fi diharuskan menggunakan SSID dan password serta mengikuti prosedur keamanan lainnya pada router.
5. Server ThingsBoard lokal yang diinstal secara lokal pada Raspberry Pi agar transmisi data tidak perlu mengakses jaringan internet publik.
6. Sistem PV untuk menguji jalannya sistem SCADA open source yang didesain.

 PENGETESAN DAN HASIL

Konfigurasi hardware A maupun B dipasang dan dikoneksikan pada sistem PV surya standalone menggunakan arus analog dan sensor tegangan yang dikoneksikan pada setiap titik penting PV untuk mengumpulkan data yang diinginkan, arus PV, tegangan PV, daya PV, serta tegangan baterai penyimpanan pada sistem MPPT.  Server data utama diinstal pada mesin Raspberry Pi yang ada dan di-hosting di jaringan MUN. MQTT Broker dikonfigurasikan untuk menerima data sensor yang dikumpulkan melalui sensor-sensor yang ada, diproses dan dipublikasikan melalui mikrokontroler ESP32 (MQTT Client). Data sensor aktual dihasilkan sebagai key:value pairs dan diterima sebagai latest telemetry data pada perangkat ESP32 OLED.

Pada Gambar 3, ditampilkan dasbor untuk bermacam variabel sistem PV yang dihasilkan. Adapun perubahan data yang dihasilkan bergantung pada kondisi cuaca di St. John’s saat diuji pada waktu yang berbeda. Nilai yang dihasilkan pada sensor didapati sama dengan yang diukur pada multimeter setempat. Sedangkan pertambahan dan pengurangan nilai yang terjadi secara tiba-tiba terjadi karena baterai penyimpanan mendapat beban listrik lainnya (bola lampu).

Prototipe SCADA yang diuji ekstensif pada waktu yang berbeda setiap harinya, dibiarkan terhubung selama sebulan pada sistem PV untuk menghasilkan catatan data PV dan untuk memastikan kekuatan sistem yang didesain. Prototipe menghasilkan nilai yang konsisten melalui pengukuran setempat menggunakan multimeter digital dan menghasilkan performa sistem yang optimal dan akurat terhadap kondisi lingkungan selama masa pengujian.

Pada Gambar 4, alarm terpicu secara otomatis antara pukul 15.00 s.d 17.00 karena nilai tegangan naik hingga nilai sekitar 15 V.  Walaupun prototipe sistem SCADA ini diuji pada sistem PV surya standalone, sistem ini dapat disesuaikan untuk penerapan pada situasi lain yang membutuhkan akuisisi data secara aktual, pengawasan dan pemantauan kontrol jarak jauh seperti halnya pada sistem sinyal lalu lintas, sistem transmisi daya dan distribusi, sistem angkutan massal, sistem manajemen energi rumah dan lain-lain.