Journal of Control and Network Systems

Transkripsi

1 JCONES Vol. 2, No. 1 (2013) Journal of Control and Network Systems Situs Jurnal : RANCANG BANGUN ALAT PENDETEKSI GAS CO, CO 2, DAN S SEBAGAI INFORMASI PENCEMARAN UDARA Jilly Haikal Islam 1) Harianto 2) Madha Christian Wibowo 3) Program Studi/Jurusan Sistem Komputer STMIK STIKOM Surabaya Jl. Raya Kedung Baruk 98 Surabaya, )Jillyhaikal@gmail.com, 2)Harianto@stikom.edu, 3)Madha@stikom.edu Abstract: Air pollution is a condition in which the air quality to be damaged and contaminated by substances, both of which are harmless and endanger the health of the human body. The gases which are the main air pollutants are carbon (CO), carbon monoxide (CO 2 ), and sulfur dioxide (SO 2 ). In this study we made a tool to detect gases CO, CO 2 and SO 2 as air pollution information. This tool can detect the presence of gas in the air per second in order to obtain the data and then sent to a computer via wireless communication using the XBee - Pro and saved for later to be processed as air pollution information. Value of the test in the form issued by the sensor ADC value (analog to digital converter) with a resolution of 10 bits increases when sensors detect the presence of the surrounding gas and decreasing time around it started missing gas mixed with air. The wireless communications applied as a delivery medium between the microcontroller and the computer are running well at a distance of 1-40 meters in a confined space conditions without hindrance and at a distance of meters in open space without a hitch. In this situation, as long as the position XBee and XBee - Pro - Pro Tx Rx in a state with few barriers the horizontal distance will be farther away. Keywords: carbon dioxide, carbon monoxide, sulfur dioxide, Xbee-Pro, sensor gas, komunikasi nirkabel. Pencemaran udara adalah suatu kondisi dimana kualitas udara menjadi rusak dan terkontaminasi oleh zat-zat, baik yang tidak berbahaya maupun yang membahayakan kesehatan tubuh manusia. Pencemaran udara biasanya terjadi di kota-kota besar dan juga daerah padat industri yang menghasilkan gas-gas yang mengandung zat di atas batas kewajaran. Makin sempitnya lahan hijau atau pepohonan di suatu daerah juga dapat memperburuk kualitas udara di tempat tersebut. Semakin banyak kendaraan bermotor dan alatalat industri yang mengeluarkan gas yang mencemarkan lingkungan akan semakin parah pula pencemaran udara yang terjadi di kawasan tersebut. Untuk itu diperlukan peran serta pemerintah, pengusaha, dan masyarakat untuk dapat menyelesaikan permasalahan pencemaran udara yang terjadi. Adapun gas-gas pencemar udara utama adalah gas CO, C, NO, N Dan S. Gas CO atau karbon monoksida adalah gas yang bersifat membunuh makhluk hidup termasuk manusia. Gas CO ini akan mengganggu pengikatan oksigen pada darah karena CO lebih mudah terikat oleh darah dibandingkan dengan oksigen dan gas-gas lainnya. Pada kasus darah yang tercemar karbon monoksida dalam kadar 70% hingga 80% dapat menyebabkan kematian pada orang (Gustina : 2012). Gas C atau karbon dioksida adalah zat gas yang mampu meningkatkan suhu pada suatu lingkungan sekitar kita yang disebut juga sebagai efek rumah kaca. Dengan begitu maka temperatur udara di daerah yang tercemar C itu akan naik dan otomatis suhunya menjadi semakin panas dari waktu ke waktu. Hal ini disebabkan JCONES Vol. 2, No.1 (2013) Hal: 51

2 karena C akan berkonsentrasi dengan jasad renik, debu, dan titik-titik air yang membentuk awan yang dapat ditembus cahaya matahari namun tidak dapat melepaskan panas ke luar awan tersebut. Keadaan seperti itu mirip dengan kondisi rumah kaca tanpa AC dan ventilasi udara yang cukup. Kemudian, gas SO, dan S dihasilkan oleh batu bara, bahan bakar minyak yang mengandung sulfur, pembakaran limbah pertanah, dan proses dalam industri. Dapat menimbulkan gangguan pada saluran pernapasan dari mulai yang ringan hingga yang berat. Gas CO, C Dan S tidak berbau dan tidak dapat dilihat, oleh karena itu manusia dan makluk hidup tidak dapat mengetahuinya jika gas-gas tersebut ada di sekitarnya. Manusia bisa tahu jika sudah merasakan dampaknya. Untuk menghindari hal itu maka dibuat Tugas Akhir untuk mendeteki dan memantau keberadaan Gas CO, C Dan S di dalam udara dan akan di simpan setiap detik perubahan data yang dideteksi oleh sensorsensor pada komputer dengan komunikasi nirkabel. Sehingga diperoleh data kadar gas yang terdeteksi setiap detik untuk dapat diolah dan di tampilkan sebagai informasi. Penelitian serupa pernah dipublikasikan oleh Gao Daqi dan Chen Wei di tahun 2007, jurnal dengan judul Simultaneous estimation of odor classes and concentrations using an electronic nose with function approximation model ensembles. Penelitian tersebut menghasilkan alat untuk mendeteksi keberadaan gas menggunakan penyedot udara menggunakan sistem hidung buatan atau electronic nose. Cara kerja electronic nose tersebut akan dimanfaatkan untuk kalibrasi terhadap array sensor (sensor gas CO, C Dan S ) yang digunakan dalam penelitian ini. METODE Perencanaan Sistem Berikut adalah blok diagram dari sistem yang akan dibangun. Gambar 1. Diagram Blok Sistem Keseluruhan Dari blok diagram pada gambar 1 dapat dilihat diagram blok dari sistem keseluruhan, di mana input sistem ini adalah gas odor. Array sensor akan mendeteksi apakah gas tersebut mengandung polutan seperti CO, CO 2 dan SO 2. Hasil yang didapatkan array sensor akan dikirimkan ke microcontroller menggunakan komunikasi I2C untuk sensor CO dan CO 2 dan analog untuk sensor SO 2 untuk kemudian diproses oleh microcontroller Atmega8. Data sensor yang telah diproses akan dikirimkan melalui komunikasi RS232 ke XBee-Pro transmitter (TX). Xbee-Pro TX mengirimkan informasi ini ke Xbee-Pro RX yang terhubung pada komputer secara wireless. Di komputer, informasi tersebut akan di sajikan dan disimpan dengan aplikasi yang telah dibuat menggunakan Microsoft Visual Basic 6.0. Perancangan Wadah Sensor Gas Alat yang penulis rancang terdiri atas kotak plastik yangg digunakan untuk menaruh semua komponen yang digunakan untuk menjalankan sensor. Berikut spesifikasi bahan dan ukuran alat. Ukuran Ukuran kotak : 15 cm x 15 cm x 5 cm. Struktur Material Bahan Material yang digunakan : Bagian Rangka 1. Fiber plastik. 2. Mur dan Baut. Perancangan Minimum Sistem Rangkaian minimum sistem dibuat untuk mendukung kerja dari microchip ATmega8 dimana microchip tidak bisa berdiri sendiri melainkan harus ada rangkaian dan komponen pendukung seperti halnya rangakaian catu daya, kristal dan lain sebagaianya yang biasanya disebut minimum sistem. JCONES Vol. 2, No.1 (2013) Hal: 52

3 2 GND Microchip berfungsi sebagai otak dalam mengolah semua instruksi baik input maupun output seperti halnya pemroses data input dari array sensor yang kemudian menghasilkan output yang berupa data yang digunakan sebagai informasi pencemaran udara. IC4 C20 RST 1 28 TX Xbee Pro 2 PC6 (RESET)(SCL/ADC5) PC5 27 RX Xbee Pro 3 PD0 (RxD) (SDA/ADC4) PC4 26 PD2 4 PD1 (TxD) (ADC3) PC u PD3 5 PD2 (INT0) (ADC2) PC2 24 D5 6 PD3 (INT1) (ADC1) PC1 23 C9 7 PD4 (XCK/T0) (ADC0) PC pf 8 VCC AGND 21 RS 9 GND AREF 20 RD10 PB6 (XT1/TOSC1) AVCC 19 Y3 D4 11 PB7 (XT2/TOSC2) (SCK) PB5 18 PD6 12 PD5 (T1) (MISO) PB4 17 PD7 13 PD6 (AIN0) (OC2/MOSI) PB Mhz EN 14 PD7 (AIN1) (SS/OC1B) PB pf PB0 (ICP) (OC1A) PB1 C10 ATmega8 5V data analog sensor so2 SCK / D6 MISO / D7 MOSI SS_I2C (SCL) I2C (SDA) SW1 reset R8 100 R9 10k C4 10uF/16v RST daya rangkaian, keduanya diberikan tegangan sebesar 5 volt DC. Nilai resistor beban (R L ) dapat dipilih atau diatur untuk mengoptimalkan nilai alarm threshold, menjaga power dissipation (P s ) semikonduktor di bawah batas 15mW. Power dissipation (P S ) akan menjadi sangat tinggi ketika nilai R S adalah sama dengan nilai R L. Nilai power dissipation (P S ) dan hambatan sensor (R S ) dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut : Rumus untuk menghitung nilai Power Dissipation (P S ) : PD6 PD7 PB0 PD5 PD4 PB5 PB J10 LCD 12v 1 U9 LM7805 VI VO 3 SCK MOSI RST MISO R10 10k J5 Downloader Gambar 2. Skematik Minimum Sistem. Rumus untuk menghitung nilai hambatan sensor (R S ) : Skematik minimum sistem ATmega8 pada gambar 2 terdiri dari microchip ATmega8, rangakaian oscillator, rangkaian reset, rangkaian catu daya, rangkaian konektor untuk downloader program, serta pin-pin konektor untuk komunikasi I2C, komunikasi serial, dan LCD. Perancangan Sensor TGS-2602 Untuk sensor SO 2 digunanakan sensor TGS dari FigaroUSA yaitu TGS Sesuai dengan datasheet, karekteristik gas yang dapat terdeteksi yaitu gas-gas yang mengandung sulfur dioxide SO 2 dan hydrogen sulfide. Gambar 3 Rangkaian Sensor TGS. Agar bisa bekerja dengan baik sensor ini membutuhkan Rangkaian Sensor TGS seperti pada gambar 3 dengan dua tegangan masukan. Heater voltage (V H ) digunakan sebagai tegangan heater dan circuit voltage (Vc) merupakan catu Modul Xbee-Pro TX & RX XBee merupakan suatu modul yang didesain untuk memenuhi standar zigbee/ IEEE yang biasa digunakan untuk aplikasi jaringan sensor yang berbiaya dan berdaya rendah. Modul ini beroperasi pada rentang frekuensi 2.4 GHz. 1. Driver Modul Xbee-Pro Untuk mengakses modul Xbee-Pro, diperlukan sebuah driver untuk modul Xbee-Pro yang mana modul Xbee-Pro ini hanya memiliki tegangan catu daya rendah yaitu antara 2,8 volt sampai 3.4 volt, sehingga diperlukan regulator tegangan sebesar 3.3 volt, namun untuk data interface dapat dihubungkan secara langsung ke microcontroller. Berikut adalah hubungan antara modul pin Xbee-Pro dan ATMega8 ditunjukkan pada Tabel 1 dibawah ini : Tabel 1. Hubungan antara modul pin pada Xbee- Pro & microcontroller ATMega8 ATMega8 Xbee-Pro Pin Nama Pin Nama 10 VCC 1 VCC 15 Tx(PD1) 2 Dout (Tx) 14 Rx (PD0) 3 Din (Rx) 11 GND 10 GND 2. Konfigurasi Pin Xbee-Pro Gambar 4 adalah gambar & konfigurasi pin Xbee-Pro dan penjelasannya, sedangkan untuk penjelasan fungsi-fungsi setiap pin pada Xbee-Pro dapat dilihat pada Tabel 2, dan untuk JCONES Vol. 2, No.1 (2013) Hal: 53

4 spesifikasi Xbee-Pro dapat dilihat pada Tabel 2. Gambar 4 Modul Xbee-Pro & Dimensi Xbee- Pro (Evolution Education.2010) Tabel 2 Konfigurasi pin Xbee-Pro Antarmuka I2C Sensor MG-811 dan MQ-7 dan ADC Sensor TGS 2602 Modul sensor MG-811 dan MQ-7 memiliki antarmuka I2C. Pada antarmuka I2C ini, modul MG-811 dan MQ-7 bertindak sebagai slave dengan alamat default adalah 0xE0 dan dapat diganti menggunakan perintah yang dijelaskan menggunakan jalur komunikasi UART. Pin I2C adalah pin SDA dan SCL yang pada ATmega8 hanya ada dua pin saja, dengan adanya 2 sensor yang digunakan, untuk itu pin SDA dan SCL di parallel menjadi 2 pin dengan membedakan alamat I2C dari setiap sensorsensor sehingga dapat digunakan untuk 2 sensor tersebut. Untuk pin ADC digunakan untuk data analog dari sensor So2 yaitu TGS 2602, karena pin adc dan pin I2C berada di port C maka itu menyebabkan konflik jika di gunakan secara bersamaan, oleh karena itu pin I2C dipindah ke port B menggunakan pin PB1 untuk SDA dan PB2 untuk SCL. Konfigurasi Parameter Xbee-Pro Tx & Rx Untuk melakukan konfigurasi parameter modul Xbee-Pro dapat melalui sebuah software bawaan Xbee-Pro yaitu X-CTU. Agar Xbee- Pro dapat melakukan komunikasi point to point adalah dengan melakukan setting konfigurasi alamat (address). Untuk masuk ke mode konfigurasi pada XCTU, Xbee-PRO harus dihubungkan dengan komputer melalui kabel USB. Setelah terhubung dan communications port muncul, buka software XCTU yang merupakan bawaan dari XBee-Pro dengan terlebih dahulu mengatur baudrate default sebesar 9600, kemudian klik Test/Query. Jika Xbee-Pro berhasil terhubung dengan software X-CTU, maka akan keluar jendela baru yang menunjukkan keterangan tipe, firmware dan Serial Number Xbee-Pro. Setelah Xbee-Pro terhubung dengan software XCTU, dilanjutkan melakukan setting konfigurasi parameter Xbee-Pro di terminal XCTU agar Xbee-Pro di sisi Tx & Rx dapat berkomunikasi dengan baik. Terdapat beberapa perintah untuk mensetting Xbee-Pro. Berikut perintah yang diperlukan untuk mengatur parameter Xbee-Pro dengan menggunakan software X-CTU adalah sebagai berikut merupakan perintah untuk memastikan Xbee-Pro siap diatur atau tidak dan juga untuk mengawali setting parameter pada Xbee-Pro. 2 AT (AT Command) merupakan perintah awalan penulisan perintah pada Xbee-Pro. 3 DL (Destination Address Low) merupakan perintah untuk mengatur alamat yang akan dituju oleh Xbee-Pro. 4 MY ( Source Address) merupakan perintah untuk mengatur alamat dari Xbee-Pro (alamat diri sendiri), nilai dari DL dan MY tidak boleh sama. 5 CH (Chanel) merupakan perintah set/read dari Xbee-Pro dimana nilai awalnya adalah C dan nilainya harus sama untuk Rx dan Tx. JCONES Vol. 2, No.1 (2013) Hal: 54

5 6 ID (Networking {Addressing}) merupakan perintah pengalamatan PAN (Personal Area Network) dimana nilainya harus sama untuk satu jaringan. 7 WR (Write) merupakan perintah penulisan pada Xbee-Pro, apakah Xbee-Pro siap untuk mengirimkan data. 8 CN (Exit Command Mode) merupakan perintah keluar dari ATCommand. Agar 2 buah XBee-Pro dapat saling berkomunikasi, maka XBee tersebut harus : a. Mempunyai channel ID (CH) yang sama. b. Mempunyai network ID PAN ID) yang sama. c. Source ID XBee-Pro receiver harus sesuai dengan destination ID dari XBee-Pro transmitter. Setting konfigurasi parameter yang harus dilakukan untuk menghubungkan Xbee- Pro berkomunikasi point to point yaitu dengan mengetikkan perintah pada Terminal XCTU. Setelah semua parameter selesai diatur, kemudian nilai baudrate diubah menjadi 2400 bps. Pada Tugas Akhir ini, digunakan baudrate rendah yaitu 2400 bps untuk mencegah overflow (hilangnya data antara host dan modul Xbee- Pro), karena data yang dikirimkan banyak. Sebelumnya pengiriman data telah dicoba dengan baudrate standar dari Xbee-Pro, yaitu 9600 bps namun sering terjadi overflow. Start Inisialisasi sensor gas LCD,CO2,CO dan SO2 Microcontroller I2C Baca sensor CO I2C Baca sensor CO2 Analog Baca sensor SO2 UART Xbee-Pro transmitter (TX) Xbee-Pro Reciever (RX) UART LCD (display) data sensor komputer (data base) Gambar. 5a Diagram Alir program mikrokontrol. Program Microcontroller JCONES Vol. 2, No.1 (2013) Hal: 55

6 Gambar 6 Pengiriman data karakter dari komputer 1 Gambar 7 Hasil kiriman data yang tampil di komputer 2 Gambar.5b Diagram Alir program visual basic. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Pengujian Pengiriman data Xbee- Pro Antar Komputer Setelah melakukan penekanan pada keyboard berupa karakter di komputer mendapatkan Capture pengujian pengiriman data antar komputer dapat dilihat pada Gambar 6 & Gambar 7. Pada Gambar 6 menandakan komputer 1 sedang melakukan pengiriman yang ditunjukkan dengan tulisan warna biru pada terminal XCTU dan pada Gambar 7 menunjukkan hasil kiriman data dari komputer 1 yang ditunjukkan di terminal XCTU di komputer 2 dengan warna merah. Hasil Pengujian Pengiriman Data dari Minimum Sistem ke Komputer Menggunakn Xbee-Pro Akan tertampil data yang terkirim seperti Gambar 8. Dari kode program yang diatas, saat program pertama kali dijalankan dengan membuka terminal pada code vision AVR kemudian dilakukan proses koneksi. JCONES Vol. 2, No.1 (2013) Hal: 56

7 Gambar 8 Hasil pengiriman data secara serial dari minimum sistem ATMega8 dan Xbee-Pro Tx Pada terminal code vision AVR tertampil angka 30 yaitu angka yang dikirimkan oleh microcontroller secara berulang setiap satu detik sesuai dengan perintah dari cuplikan kode program. Pengujian Aplikasi Penerima dan Penyimpan Data Array Sensor Dari prosedur pengujian penerimaan data array sensor yang dikirim dari minimum sistem didapatkan hasil sebagai seperti Gambar 9. Gambar 9 aplikasi penerima dan penampil data array sensor Gambar 9 data array sensor yang dikirim oleh microcontroller diterima dengan baik oleh aplikasi penerima dan penampil untuk kemudian langsung disimpan pada file log.txt seperti pada Gambar 10. Gambar 10 file log data array sensor Hasil Pengujian jarak maksimal kemampuan pengiriman data Xbee Pro Dari prosedur pengujian komunikasi data pada Xbee-Pro yang telah dilakukan di luar ruangan dapat dilihat pada tabel 3dan di dalam ruangan dapat dilihat pada tabel 4. Tabel 3 Hasil pengamatan komunikasi data pada Xbee Pro dalam kondisi di luar ruangan (outdoor area) No. Jarak Keterangan (meter) Ok Ok Ok Ok Ok Ok Ok Ok Ok Ok Gagal Gagal Gagal Gagal Gagal Tabel 4 Hasil pengamatan komunikasi data pada Xbee Pro dalam kondisi di dalam ruangan (indoor area). JCONES Vol. 2, No.1 (2013) Hal: 57

8 No. Jarak Keterangan (meter) Ok Ok Ok Ok Gagal karena ada halangan Gagal karena ada halangan Gagal karena ada halangan Gagal karena ada halangan Hasil Pengujian dan Kalibrasi Sensor C Dari prosedur pengujian didapatkan hasil pengujian sensor gas yang dapat mendeteksi gas yang berada di dalam tabung. Gas C dialirkan mask Gas C dikeluarkan Gambar 12 grafik kenaikan dan penurunan data sensor Dari Gambar 12 data sensor mengalami kenaikan saat gas dialirkan ke dalam tabung, dan mengalami penurunan saat gas di dalam tabung dikeluarkan sehingga tabung tidak berisi gas. Hasil Pengujian dan Kalibrasi Sensor CO Dari prosedur pengujian didapatkan hasil pengujian sensor gas yang dapat mendeteksi gas yang berada di dalam tabung. Gas CO dialirkan Gas CO dikeluarkan Gambar 11 grafik kenaikan data sensor. Dari Gambar 11 data sensor mengalami kenaikan saat gas dialirkan ke dalam tabung, dan kemudian mengalami penurunan saat gas di dalam tabung dikeluarkan sehingga tabung tidak berisi gas. Hasil Pengujian dan Kalibrasi Sensor S Dari prosedur pengujian didapatkan hasil pengujian sensor gas yang dapat mendeteksi gas yang berada di dalam tabung. Gambar 13 grafik kenaikan dan penurunan data sensor. Dari Gambar 13 data sensor mengalami kenaikan saat gas dialirkan ke dalam tabung, dan mengalami penurunan saat gas di dalam tabung dikeluarkan sehingga tabung tidak berisi gas. SIMPULAN Adapun kesimpulan yang dapat dituliskan setelah melakukan analisa dari hasil JCONES Vol. 2, No.1 (2013) Hal: 58

9 sistem yang telah dibuat antara lain sebagai berikut : 1. Pengujian Modul sensor TGS 2602, MG- 811 dan MQ-7 menunjukkan bahwa modul tersebut dapat mengkonversi suatu gas sehingga menghasilkan keluaran tegangan, dan melakukan fungsinya dalam mendeteksi kandungan gas CO, CO 2 dan SO 2 yang dinilai cukup baik dengan keluarnya nilai analog dari sensor. Sistem modul sensor bekerja dengan baik disaat mendeteksi adanya gas secara cepat sensor langsung menaikan nilai keluaran analog begitu juga saat gas mulai hilang bercampur dengan udara nilai keluaran analog dari sensorpun menurun. 2. Komunikasi nirkabel yang diterapkan sebagai media pengiriman antara microcontroller dan komputer ini berjalan dengan baik pada jarak 1-40 meter pada kondisi ruang tertutup tanpa halangan dan pada jarak meter pada ruang terbuka tanpa halangan. Pada keadaan ini, selama posisi Xbee-Pro Tx dan Xbee-Pro Rx dalam keadaan horisontal dengan sedikit halangan maka jarak yang ditempuh akan semakin jauh. 3. Program penampil data dan penyimpan data menggunakan Microsoft visual basic 6, dapat berjalan dengan baik dengan menerima data yang dikirim dari microcontroller sehingga dihasilkan data yang sesuai dengan output dari masingmasing sensor. 012/05/20/51603/waspadi_bahayapencemaran, diakses 7 januari 2013). DAFTAR PUSTAKA Daqi, Gao dan Wei, Chen Simultaneous estimation of odor classes and concentrations using anelectronic nose with function approximation model ensembles. Shanghai. China. Evolution Education Xbee-Pro Basic, (Online) ( diakses 29 januari 2013). Figaro USA, INC. 2012, TGS for the detection of Air Contaminants, (online) ( 602pdf.pdf, diakses 1 juni 2013) Gustina, Nelly. 2012, Waspadai Bahaya Pencemaran Udara, (online) ( JCONES Vol. 2, No.1 (2013) Hal: 59