AKUISISI DATA WIRELESS PADA SISTEM MONITORING REAL TIME PRODUKSI BIOGAS

Transkripsi

1 AKUISISI DATA WIRELESS PADA SISTEM MONITORING REAL TIME PRODUKSI BIOGAS Qomaruddin 1,2,*), Melania Suweni Muntini 2) 1 Pusat Penelitian Fisika, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) 2 Jurusan Fisika, FMIPA, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya (ITS) *Corresponding author: qomar_ku@hotmail.com INTISARI Sistem telemetri telah banyak digunakan untuk sistem monitoring. Pada umumnya, sistem telemetri menggunakan kabel sebagai media transmisi data. Kabel mempunyai beberapa keunggulan diantaranya transmisi data tetap valid, dan kecepatan transfer data stabil. Penelitian ini membahas tentang pembuatan sistem telemetri wireless untuk sistem monitoring real time pada produksi biogas. Sistem telemetri ini terdiri dari beberapa komponen, diantaranya adalah antena, sumber sinyal digital, modulator dan sensor biogas. Antena berfungsi sebagai media yang mengirimkan sinyal (data) secara wireless. Antena yang digunakan adalah jenis mikrostrip omnidirectional dengan frekuansi kerja 2,4 GHz dan telah difabrikasi serta dikarakterisasi sendiri. Modulator berfungsi mengubah sinyal digital menjadi analog. Akusisi data telah dilakukan secara wireless dan memperoleh hasil pengukuran konsentrasi gas rata 3720 ppm untuk CO 2, 3320 ppm untuk CH 4, dan 2,36% untuk O 2. Hasil yang diperoleh dari reaktor (digester) biogas terjadi setelah hari ketujuh. Pengukuran dilakukan dalam gedung dengan radius m. Kecepatan pengiriman dan penerimaan data antara pemancar (access point) dan penerima (PC/laptop) mengalamai fluktuasi. Hal ini terjadi karena terdapat penghalang tembok dalam gedung. Kecepatan pengiriman data pada transmitter 46,7557 kbps dan pada reciever adalah 5,5967 kbps. Kecepatan pengiriman dan penerimaan data pada saat akuisisi yang fluktuatif tidak mempengaruhi kevalidan data yang dikirim karena kecepatan pengiriman diatur berdasarkan karakteristik sensor gas. Terdapat perbedaan yang tidak signifikan antara pengukuran wireless dan wired. Pengukuran wireless ±10 ppm lebih rendah dari pengukuran wired untuk gas CH 4 dan CO 2, sedangkan untuk gas O 2 tidak terdapat perbedaan. Kata Kunci: akusisi data, antena omnidirectional, biogas, wireless. ABSTRACT Telemetry system has been widely used in the monitoring process. Generally, telemetry is applied using a wire as a medium for data transmission. The wire cable has several advantages, for example, the data transmission remains valid and transfers speed is stable. This paper describes the construction of a wireless telemetry system for real time monitoring system of biogas production. The telemetry system consists of an antenna, digital signal source, modulator and a biogas sensor. The antenna serves as a medium for sending the data wirelessly. An omnidirectional antenna with frequency of 2.4 GHz has been fabricated and characterized. The modulator converts the digital signals into analog. Data acquisition has been done wirelessly and obtained the average gas concentration of 3720 ppm for carbon dioxide (CO 2), 3320 ppm for methane (CH 4), and 2.36% for oxygen (O 2). The results were obtained from the biogas production in the reservoir tube after 7th day. Measurements were made indoors at a radius of m. The speed of data delivery and acceptance between the transmitter (Access Point) and receiver (PC/laptop) was fluctuated because there were a wall of building between the transmitter and the receiver. The average of transfer rate at the transmitter was kbps and at the receiver was kbps. The transfer rates fluctuation does not affect the transmission of data, because the transmission speed was set according to the characteristics of the sensor. There was different measurement resulted between wireless data acquisition and wired for methane and carbon dioxide, but it is not significant. Measurement of wireless data acquisition is ±10 ppm lower than the wired, but there was no different resulted for the oxygen.

2 Keywords: biogas, data acquisitions, omnidirectional antenna, wireless. 1. PENDAHULUAN Konsumsi bahan bakar fosil tidak sebanding dengan persediaan yang ada di alam. Salah satu alternatif untuk mengurangi konsumsi berlebih adalah menggunakan bahan bakar yang dapat diperbaharui. Biogas adalah salah satu sumber energi bahan bakar baru dan terbarukan [1,2,3]. Dengan adanya biogas cadangan bahan bakar fosil di alam dapat dipertahankan lebih lama. Makalah ini menguraikan penelitian tentang pemanfaatan biogas sebagai bahan bakar alternatif dengan fokus bahasan pada monitoring real time produksinya. Akuisisi data monitoring yang dilakukan pada produksi biogas adalah tanpa kabel (wireless). Pemilihan komunikasi wireless didasarkan atas beberapa kemudahan yang dimiliki [4]. Komponen yang dibutuhkan untuk menunjang peneltian ini adalah antena. Antena yang digunakan adalah jenis mikrostrip omnidirectional hasil fabrikasi dan karakterisasi sendiri [5]. Frekuensi kerja antena adalah 2,4 GHz [5,6]. Untuk mengubah sinyal yang dikirimkan secara wireless melalui antena dibutuhkan rangkaian modulator yang berfungsi merubah sinyal digital menjadi analog. Aplikasi dari sistem telemetri secara wireless ini yaitu pada monitoring produksi biogas. Komponen lain yang digunakan dalam penelitian ini adalah sistem sensor gas, diantaranya adalah sensor gas metana (CH4), Sensor gas karbondiokasida (CO2), dan sensor gas oksigen (O2). Sensor gas berfungsi sebagai media yang memantau produksi biogas. Harapan dari riset ini adalah membuat sistem monitoring real time produksi biogas secara wireless yang mempunyai tingkat akurasi pengukuran yang sama dengan dengan menggunakan kabel (wired). 2. DASAR TEORI 2.1 Akuisisi Data Akuisisi data dapat disefinisikan sebagai suatu sistem yang berfungsi untuk mengambil, mengumpulkan, dan menyiapkan data, hingga memprosesnya untuk menghasilkan data yang akan ditampilkan sesuai dengan yang dikehendaki. Telemetri merupakan pengukuran jarak jauh yang menggunakan media/medium transmisi dalam mengirimkan data. Telemetri wireless memanfaatkan gelombang elektromagnetik sebagai sinyal pembawa (carrier) informasi. Teknik penyisipan informasi pada gelombang pembawa disebut modulasi. Sedangkan komponen yang digunakan untuk meradiasikan gelombang pembawa tersebut adalah antena. 2.2 Sensor Gas Sensor adalah komponen atau alat yang berfungsi mengubah besaran fisis menjadi besaran listrik. Sensor gas berfungsi merubah besaran fisis berupa konsentrasi gas menjadi besaran listrik. Pada ummnya substrat sensor gas terbuat dari oksida logam semikonduktor atau Metal Oxide Semiconductor (MOS). Sistem kerja sensor gas memanfaatkan proses penyerapan oksigen (O2) pada permukaan oksida logam. Dalam kasus yang paling ekstrim dimana konsentrasi O2 adalah 0 %, ketika oksida logam bahan sensor dipanaskan pada suhu tinggi ±400 o C, elektron bebas mengalir melalui daerah pembatas (grain boundary) SnO2-x [8]. Pada kondisi udara bersih (O2 = 21 %),

3 oksigen akan terserap pada permukaan oksida logam yang akan membentuk potensial penghalang pada grain boundary. Penghalang ini menghambat aliran elektron sehingga resistansi sensor tinggi pada saat udara bersih. Ketika sensor mendeteksi adanya gas yang mudah terbakar atau yang dapat mereduksi oksigen (misalnya CO), maka reaksi oksidasi gas tersebut dengan oksigen yang diserap akan terjadi pada permukaan logam. Proses penyerapan oksigen pada permukaan oksida logam ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 1. Prinsip kerja sensor gas [8] Akibat kepadatan oksigen yang diserap pada permukaan oksida logam berkurang dan ketinggian potensial barrier akan turun maka elektron akan bergerak bebas dan resistansi sensor akan mengecil. Konsentrasi gas dapat dideteksi dengan adanya perubahan resistansi sensor gas melalui perubahan tegangan keluaran pada sensor gas. Reaksi kimia dan penyerapan oksigen pada permukaan oksida logam bervariasi, bergantung pada sensitivitas dan suhu kerja sensor gas. 2.3 Antena Dalam mendesain antena ada beberapa parameter yang perlu diperhatikan agar hasil yang diperoleh mempunyai efisiensi kerja tinggi. Beberapa parameter tersebut adalah VSWR, Pola radiasi, Gain, Power return loss, dan Bandwitdh. Dalam pengertian sederhana VSWR adalah tingkat kecocokan antara impedansi masukan antena dengan impedansi konektor catu daya. Pola radiasi menentukan pola sebaran daya yang dipancarkan oleh antena. Untuk antena jenis omnidirectional pola sebarannya adalah ke segala arah (radial). Gelombang elektromagnetik pada saat melewati sebuah saluran transmisi akan mengalami ketidak sesuaian beban atau diskontinuitas dalam saluran, beberapa bagian dari daya masukan akan dipantulkan kembali ke saluran transmisi [9]. Hal ini menyebabkan disipasi daya atau yang sering disebut sebagai power return loss. Antena dapat bekerja dengan baik jika penguatannya (gain) besar. Semakin besar nilai penguatan antena maka jangkauan (coverage area) antena semakin luas. 2.4 Modulasi Modulasi adalah proses perubahan (varying) suatu gelombang periodik sehingga dapat menjadikan suatu sinyal yang mampu membawa informasi. Dalam hal ini informasi disebut juga sebagai sinyal pemodulasi [10]. Proses modulasi dilakukan pada bagian pemancar dan rangkaian alat untuk proses modulasi disebut sebagai modulator. Pada bagain penerima juga dilakukan hal sebaliknya dan alatnya disebut sebagai demodulator. Dalam proses demodulasi sinyal informasi (pesan) dispisahkan dari gelombang pembawa frekuensi tinggi. Pada umumnya alat yang ada di pasaran sudah memuat kedua rangkaian tersebut yang biasa disebut modem (modulator-demodulator).

4 3. METODE DAN TEKNIK PENGUKURAN Penelitian ini melalui beberapa tahap, diantaranya adalah pembuatan sistem sensor gas bagian pemancar dan bagian penerima. Skema tahapan yang dilakukan tampak pada Gambar 2, dimana sensor gas terpasang pada tabung penampung gas yang terhubung dengan sistem pengolah sinyal dan bagian pemancar. Sensor Gas Signal Processing (ADC/µC) WIZnet (Serial to Ethernet) Modem/ Acces Point Antena Gas Gambar 2. Sistem Sensor Gas dan Pemancar Pada bagian sistem sensor komponen sensor yang digunakan pada tabung penampung produksi biogas terdiri atas beberapa sensor gas. Sensor gas yang digunakan adalah TGS2610 untuk Metana (CH4), KE-50 untuk Oksigen (O2), TGS4161 untuk karbon dioksida (CO2), dan SHT11 untuk temperatur dan kelembaban. Sensor gas mempunyai karakteristik berbeda daripada sensor lain. Sensor gas mempunyai waktu pemanasan dan waktu tanggap (respon time) berbeda untuk jenis gas yang berbeda. Pengambilan sampel dilakukan sesuai dengan waktu tanggap masing-masing sensor. Sedangkan pengiriman data mengacu pada waktu tanggap paling lama dari sensor-sensor yang digunakan. Untuk mengolah sinyal keluaran masing-masing sensor digunakan modul mikrokontroller ATMega8535 [11]. Bagian pemancar digunakan modul Wiznet WIZ110SR untuk mengubah data serial (RS232) menuju Ethernet Gateway. Modulator yang digunakan adalah Access Point TL-WA701ND dan dihubungkan dengan antena jenis mikrostrip omnidirectional yang telah difabrikasi dan dikarakterisasi [5]. Desain antena tampak pada Gambar 3. Gambar 3. Desain Antena Pemancar [5] Pada bagian penerima yang diperlihatkan pada Gambar 4 juga menggunakan antena dan modem yang sama dengan pemancar lalu dihubungkan ke komputer penerima. Bila hal itu dirasa kurang efektif maka cukup menggunakan laptop sebagai penerima dengan komunikasi WiFi karena frekuensi kerja antena sama dengan frekuensi Wifi yaitu 2,4 GHz. Pada bagian penerima sistem monitoring dipantau dengan bahasa pemrograman yaitu Visual Basic 6.0 dan/atau Borland Delphi 7. Gambar 4. Sistem Penerima

5 Proses Akuisisi Data dilakukan pada saat sensor gas mendeteksi adanya gas. Data masing-masing sensor dikirimkan menuju rangkaian pengolah sinyal dan ADC (Analog to Digital Converter). Data keluaran ADC dikirim menuju Wiznet dengan protocol TCP/IP untuk dimodulasi oleh modem (access point). Data hasil modulasi ditransfer secara wireless melalui antena pemancar. Pada bagian penerima data diterima dan diolah menggunakan software pemrograman Borland Delphi 7 atau Visual Basic 6 dan ditampilkan dalam bentuk grafik. 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Sistem sensor gas yang telah dibuat diintegrasikan menjadi satu dengan bagian pemancar. Tabung reaktor (digester) dihubungkan dengan gas penampung yang sudah terpasang sensor gas. Sistem sensor gas yang terhubung dengan pemancar tampak pada Gambar 5. Gas yang dihasilkan pada tabung digester terbentuk setelah hari ketujuh pembuatan biogas. Sampling rate menyesuaikan dengan karakteristik sensor. Pengiriman data juga menyesuaikan karakteristik sensor yang mempunyai waktu pemanasan dan waktu tanggap berbeda-beda. Jeda waktu yang dipakai untuk mengirimkan data diambil dari waktu pemanasan dan waktu tanggap paling lama dari semua sensor gas yang digunakan. Hasil karakterisasi menunjukkan bahwa waktu paling lama adalah sensor CO2 yaitu 300 sekon. Sehingga sampling rate diambil setiap 5 menit sekali [7]. Gambar 5. Reaktor Biogas & Sistem Sensor Gas [7]. Antena mikrostrip omnidirectional yang telah difabrikasi dan dikarakterisasi [5] digunakan sebagai media komunikasi wireless. Hasil fabrikasi antena tampak pada Gambar 6. Gambar 6. Antena Mikrostrip Omnidirectional [5]

6 Data digital dari mikrokontroller (RS232) dikonversi oleh modul Wiznet (ethernet gateway) dan dikirimkan oleh antena setelah dimodulasi oleh access point. Antena dihubungkan dengan kabel pigtail menuju access point (modem). Sistem pemancar dan penerima tampak pada Gambar 7. Gambar 7. Pemancar & penerima Data yang dikirimkan wireless melalui antena akan diterima pada laptop untuk memonitoring produksi biogas. Secara kontinu data dikirim menuju penerima. Pengukuran dilakukan dalam ruangan dengan jarak m. Oleh karena pengukuran dilakukan dalam ruangan maka kecepatan pengiriman dan penerimaan data mengalami fluktuasi. Hal ini disebabkan karena terhalang oleh dinding/tembok. Hasil pengukuran wireless untuk masing-masing sensor gas telah dilakukan seperti yang telihat pada Gambar 8 untuk gas CO2 dan pada Gambar 9 untuk CH4. Gambar 8. Hasil pembacaan gas CO2

7 Gambar 9. Hasil pembacaan gas CH4 Akuisis data yang telah dilakukan memperoleh hasil rata-rata 3320 ppm untuk gas metana (CH4), 3720 ppm untuk gas karbon dioksida (CO2), dan 2,36% untuk gas oksigen (O2). Database hasil pengukuran juga dapat direkam berdasarkan waktu sampling seperti pada Gambar 10. Gambar 10. Database gas O2 Kecepatan pengiriman rata-rata adalah kbps dan kecepatan penerima rata-rata adalah kbps, seperti yang terlihat pada Gambar 11. Pada rangkaian pengolah sinyal kecepatan pengiriman data diatur sesuai dengan karakteristik sensor, yaitu tiap 5 menit sekali data hasil sensing dikirim menuju penerima. Walaupun kecepatan transfer pengiriman dan penerimaan data mengalami fluktuasi, hal ini tidak mempengaruhi tingkat kevalidan data yang dikirim dan yang diterima karena kecepatan transfer data diatur sesuai dengan karakteristik sensor gas.

8 Gambar 11. Transfer Rate Pengiriman dan Penerimaan Data Wirelessly Akuisisi data wireless yang telah dilakukan mempunyai perbedaan ±10 ppm lebih rendah untuk sensor gas metana dan karbon dioksida dibandingkan hasil pengukuran menggunakan kabel, akan tetapi tidak tidak signifikan. Sedangkan untuk gas oksigen tidak terdapat perbedaan pembacaan pada sensor. 5. KESIMPULAN Akuisisi Data Wireless Pada Sistem Monitoring Real Time Produksi Biogas telah dilakukan dan diperoleh konsentrasi gas rata-rata yang terukur adalah 3320 ppm untuk CH4, 3720 ppm untuk CO2, dan 2,36 % untuk O2. Terdapat perbedaan pembacaan yang tidak signifikan sebesar ±10 ppm lebih rendah dibandingkan hasil pengukuran menggunakan kabel untuk sensor gas metana (CH4) dan karbondioksida (CO2), akan tetapi tidak terdapat perbedaan pembacaan pada sensor gas oksigen. Semua komponen pendukung yang digunakan dapat bekerja dengan baik. Antena dapat berkerja pada frekuensi 2,4 GHz [5,6] dan dapat digunakan untuk sistem telemetri lainnya yang lebih luas. DAFTAR PUSTAKA [1] Haryati T, Biogas: Limbah Peternakan yang Menjadi Sumber Energi Alternatif, WARTAZOA, Vol. 16 No. 3 Th [2] Widodo, T.W., dkk, Rekayasa dan Pengujian Reaktor Biogas Skala Kelompok Tani Ternak, Jurnal Enjiniring Pertanian, Vol. IV No. 1, April [3] Mujahidah, dkk, Kajian Teknologi Produksi Biogas dari Sampah Basah Rumah Tangga, Online Jurnal of Natural Science, Vol. 2 (1), Maret pp: [4] Istianawati I, Perancangan dan Pembuatan Alat Pengukur Temperatur Permukaan Fluida Berbasis Mikrokontroller dengan Sistem Pengiriman Data via WiFi, Tesis Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, ITS, Surabaya, [5] Qomaruddin, Antena Mikrostrip 5 Larik Simetri Double Dipole untuk Omnidirectional Frekuensi 2,4 GHz, Seminar Nasional MIPA Universitas Negeri Malang, Malang, pp: FIS-18. [6] Qomaruddin, Akusisi Data Secara Wireless Pada Sensor Gas (Studi Kasus: Pengukuran Konsentrasi Gas di Kawah Timbang, Pegunungan Dieng

9 Banjarnegara, Jawa Tengah), Seminar Nasional Pascasarjana XI ITS, Surabaya, 27 Juli pp: [7] Rebiantoro G, Perancangan dan Pembuatan Sistem Monitoring Biogas, Tugas Akhir Fisika, Fakultas Matematika dan ilmu pengetahuan alam, ITS, Surabaya, [8] [9] Risfaula E, 2011, Antena Mikrostrip Panel Berisi 5 Larik Dipole dengan Feed Line Koaksial Waveguide untuk Komunikasi Wireless 2,4 GHz, 1 st Indonesian Student Conference on Satellite, Surabaya, December 17, [10] Sukiswo, Perancangan Telemetri Suhu Dengan Modulasi Digital FSK-FM, Transmisi, Vol. 10 No. 2, Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Diponegoro, Semarang, pp: 1-8. [11] Agfianto E.P., Belajar Mikrokontroller AT89S51/52/55 Teori dan Aplikasinya, Edisi 2, Penerbit Andi Yogyakarta, 2002.