Pengendalian Kadar Keasaman (ph) Pada Sistem Hidroponik Stroberi Menggunakan Kontroler PID Berbasis Arduino Uno

Transkripsi

1 Pengendalian Kadar Keaaman (ph) Pada Sitem Hidroponik Stroberi Menggunakan Kontroler PID Berbai Arduino Uno Ika Kutanti, Pembimbing : M. Aziz Mulim, Pembimbing : Erni Yudaningtya. Abtrak Pengendalian kadar keaaman pada troberi hidroponik angat diperlukan karena kadar keaaman air hidroponik pada umumnya cenderung baa, keadaan ini tidak memenuhi yarat kadar keaaman ideal troberi yaitu 5,8 6,5. Pengendalian dirancang agar kadar keaaman air hidroponik euai dengan etpoint yaitu ph 6 dengan mengendalikan putaran pompa yang berii cairan aam dan baa. Pada kripi ini Arduino UNO yaitu ebuah board mikrokontroler yang didaarkan pada ATmega38 diaplikaikan ebagai perangkat pengendali kadar keaaman air hidroponik. Proe perancangan kontroler PID menggunakan metode root locu dan didapatkan bahwa emua akar berada diebelah kiri bidang, ehingga repon yang didapat dari emua pole tabil. Hail perhitungan parameter PID dengan pole = didapatkan nilai parameter PID terbaik yaitu Kp = , Ki = 5 dan Kd = Kata Kunci ph, troberi, PID, Arduino UNO. I. PENDAHULUAN S troberi merupakan alah atu buah bernilai jual tinggi, namun pembudidayaan troberi konvenional angat bergantung pada cuaca, dan keadaan tanah. Hidroponik merupakan alah atu olui pembudidayaan troberi yang tidak bergantung pada cuaca maupun keadaan tanah, karena media tanam hidroponik berupa air dan ditempatkan pada rumah kaca (green houe). Namun hidroponik konvenional tidak dilengkapi pengendalian kadar keaaman yang dapat menjaga ph media tanam troberi yang ideal yaitu 5,8 6,5 []. Salah atu jeni kontroler yang banyak digunakan aat ini adalah kontroler PID (Proportional Integral Derrivative). PID adalah kontroler yang merupakan gabungan dari kontroler propoional, kontroler integral dan kontroler differenial. Gabungan dari ketiga kontroler ini diharapkan agar mendapat keluaran item dengan nilai error ekecil mungkin. Keuntungan dari kontroler PID adalah merupakan ebuah item yang ederhana ehingga lebih cepat dalam mengambil ebuah keputuan. Diharapkan dengan menggunakan kontroler PID kadar keaaman bia dikendalikan. Berdaarkan permaalahan terebut maka dalam kripi ini dirancang ebuah perangkat yang mampu mengendalikan kadar keaaman pada item hidroponik troberi dengan cara mengendalikan kecepatan putaran pompa yang berii cairan aam dan baa. Komponen pengendalian yang digunakan berbai Arduino Uno. Tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah terbuatnya perangkat yang mampu mengendalikan kadar keaaman pada item hidroponik troberi berbai Arduino Uno. II. IDENTIFIKASI SISTEM A. Hidroponik Stroberi Hidroponik adalah uatu item bercocok tanam dengan menggunakan air ebagai media tanamnya. Air yang digunakan hendaknya memenuhi yarat-yarat tertentu, mialnya ph, kekeruhan, ukuran partikel, unur-unur kimia, dan propori []. Seperti yang telah dijelakan di ata, air yang digunakan dalam item hidroponik hendaknya diatur kadar ph-nya. Stroberi memiliki rentang ph ideal 5,8-6,5 untuk media tanamnya agar dapat tumbuh optimal. Kadar ph yang berlebihan dapat mengganggu pertumbuhan troberi antara lain keruakan membran akar, elain itu daun maupun buah menjadi berwarna lebih kuning ehingga jika buah dapat tumbuh akan menghailkan buah yang kurang mani. Kadar ph yang kurang juga dapat mempengaruhi pertumbuhan troberi yaitu troberi menjadi tidak mampu menyerap nutrii yang dibutuhkan [3]. B. Motor DC Motor yang digunakan dalam peneltian kali ini merupakan motor DC magnet permanen. Untuk melakukan perubahan kecepatan dari motor ini adalah dengan mengatur tegangan yang mauk ke dalam motor. Berikut Gambar adalah bentuk fiik motor DC. Gambar. Motor DC C. Senor ph Senor ph merupakan elektroda gela yang terdiri dari gelembung gela yang enitif ph pada ujungnya, berii larutan klorida yang diketahui phnya dan elektroda Jurnal Ika Kutanti, Januari 04

2 refereni. Berikut Gambar adalah bentuk fiik enor ph. Gambar. Senor ph D. Arduino UNO Arduino UNO adalah ebuah board mikrokontroler yang didaarkan pada ATmega38. Arduino UNO mempunyai 4 pin digital input dan output, 6 di antaranya dapat digunakan ebagai output PWM. 6 input analog, ebuah oilator Krital 6 MHz, ebuah koneki USB, ebuah power jack, ebuah ICSP header, dan ebuat tombol reet. Arduino UNO memuat emua yang dibutuhkan untuk menunjang mikrokontroler, mudah menghubungkannya ke ebuah komputer dengan ebuah kabel USB atau menuplainya dengan ebuah adaptor AC ke DC atau menggunakan baterai untuk memulainya. Gambar 3 menampilkan Arduino Uno ecara fiik. LPRBS = n () Dimana n adalah panjang dari regiter LFSR (jumlah bit). Panjang makimum dari PRBS diebut M- equence. Tabel. Variai Panjang Sekuenial PRBS Panjang Regiter Panjang Sekuenial Poii Tap (n) L= n Umpan Balik 3 dan 3 7 dan dan dan dan dan , 3, 4, dan dan dan 0 F. Perancangan PID dengan Root locu Rancangan item kendali loop tertutup dengan metode root locu dimungkinkan untuk mengatur ekurang-kurangnya beberapa letak pole item loop tertutup ehingga dapat diatur tanggapan tranient pada tingkat tertentu dan pengaruhnya terhadap tanggapan keadaan mantap [5]. Proedur analiti perancangan kontroler PID menggunakan metode root locu dapat dilihat dalam Gambar 4. Gambar 4. Sitem Kendali Gambar 3. Arduino UNO E. Pengambilan Data Input-Output Pengujian ini tentu memerlukan inyal uji tertentu yang akan diberikan kepada item fiik yang akan diidentifikai. Agar diperoleh model yang tepat maka dalam pemilihan inyal uji ini tidak boleh embarangan. Syarat pemilihannya adalah uatu inyal uji haru memiliki cakupan frekueni yang lebar dan tandard yang digunakan adalah inyal Peudo Random Binary Sequence (PRBS). [4]. Peudo Random Binary Sequence (PRBS) adalah inyal kotak yang termodulai pada lebarnya dan berlangung ecara ekuenial. Sinyal ini biaanya dibangkitkan menggunakan Linear Feedback Shift Regiter (LFSR). Pada LFSR memiliki parameter daar yang menentukan ifat ekuenial yang dihailkan, yaitu: panjang dari hift regiter dan uunan umpan balik. PRBS memiliki variai panjang ekuenialnya, tergantung dari panjangnya hift regiter eperti ditunjukkan Tabel. Panjang dari hift regiter menentukan periode makimum yang dapat dihailkan dari ekuenial PRBS dan tidak berulang yang dapat dinyatakan dengan peramaan: Untuk item terebut, Peramaan karakteritik diberikan oleh: + Gc Gp = 0... () Mialkan diinginkan loku akar melalui =, maka Gc Gp =... (3) Gc Gp e j j = e...(4) Fungi alih kontroler PID etelah ditranformai laplace dinyatakan oleh Gc = Kp + Ki + Kd....(5) Sehingga dari peramaan diata didapatkan Gc = j( ) e...(6) Gp atau Kd Dengan e j( ) e Kp Ki...(7) Gp j... (8) Maka Kd jin Kp co jin Ki Gp co co( ) j in( )... (9) Jurnal Ika Kutanti, Januari 04

3 3 Menyamakan real dengan real dan imajiner dengan imajiner, didapat co Kd Gp in Kp Gp co( ) in( ) Ki.. (0) co Kd Gp in Kp in( ) Gp Dari peramaan diaata dapat dilihat bahwa untuk perancangan kontroler PID, atu dari tiga penguatan Kp. Ki, Kd, haru ditentukan dahulu. Sedangkan untuk perancangan PI atau PD, penguatan yang euai pada peramaan diata dibuat ama dengan nol. Untuk kau adalah imajiner, peramaan diata akan menghailkan dua peramaan dalam Kp dan Kd erta bear Ki haru ditentukan terlebih dahulu. III. PERANCANGAN MODUL co( ) Ki () Perancangan ini meliputi pembuatan perangkat kera dan perangkat lunak, perangkat kera meliputi perancangan hidroponik dan perancangan rangkaian Arduino hield yang terdiri ata rangkaian pengondii inyal dan regulator tegangan, untuk perangkat lunak meliputi pembuatan program pada Arduino UNO.0.5 untuk keperluan analii item yaitu dengan membangkitkan inya PRBS dan program kontrol PWM motor pompa. A. Perancangan Hidroponik Stroberi Kontruki hidroponik troberi dapat dilihat pada Gambar 5. Gambar 5. Skema Kontruki Hidroponik Stroberi B. Perancangan Arduino Shield Shield adalah itilah untuk modul tambahan pada Arduino, karena cara menggunakan modul tambahan pada Arduino adalah dengan cara menumpuk di bagian ata Arduino, maka diberi itilah hield (tameng/periai). Arduino hield yang digunakan pada penelitian ini berii rangkaian pengondii inyal, regulator tegangan, dan LCD. Gambar 6. Arduino Shield C. Perancangan Perangkat Lunak Pada penelitian ini pemrograman keeluruhan item menggunakan bahaa pemrograman C++ dengan oftware Arduino.0.5 IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA Pengujian ini meliputi pengujian perangkat kera dalam hal ini pengujian enor ph, pengujian rangkaian pengondii inyal, pengujian driver dan hubungan PWM dengan kecepatan motor diterukan dengan pengambilan data input-output dengan penggunaan inyal PRBS, kemudian data terebut dianalia dengan MATLAB 7 dengan failtia ident yang teredia.pengujian di ata dilakukan dengan tujuan memperoleh karakteritik dari tiap alat. Setelah didapatkan karakteritiknya, kemudian dapat dilakukan penyeuaian pada item. A. Pengujian Senor ph Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui bear tegangan keluaran enor ph. Pengujian dilakukan dengan larutan ph buffer -0. Tabel. Hail Nilai Tegangan Keluaran Senor ph Larutan ph Buffer Vout Senor (mv) Hail pengujian menunjukkan bahwa enor ph mampu mendeteki perbedaan ph pada tiap larutan. B. Pengujian Rangkaian Pengondii Sinyal (RPS) Pengujian ini bertujuan untuk memperoleh reolui ph yang diinginkan bia ditanggapi oleh ADC mikrokontroler yang digunakan yaitu pada kiaran 0-5 Volt. Jurnal Ika Kutanti, Januari 04

4 4 Tabel 3. Hail Nilai Tegangan Keluaran RPS Senor ph ph Pengujian Perhitungan Hail pengujian RPS dapat dilihat dalam Gambar 7. Gambar 7. Grafik Pengujian Rangkaian Pengondii Sinyal Gambar 8. Grafik Hubungan PWM dengan Kecepatan Motor Dari gambar 8 dapat dilihat motor mulai berputar di kiaran PWM 0-5, kecepatan motor mengalami perubahan yang bear dalam kiaran PWM 5 00 edangkan pada PWM perubahan kecepatan tidak begitu bear. E. Pengambilan data Input-Output Pengambilan data input-output dengan cara dijalankannya program yang membangkitkan inyal PRBS dari Arduino UNO. Grafik inyal PRBS dan kecepatan motor dapat dilihat dalam Gambar 9. C. Pengujian Driver Motor Pengujian ini dilakukan untuk membandingkan nilai maukan duty cycle yang diberikan dengan repon duty cycle pada driver EMS H-Bridge 30 A. Tabel 4. Hail Nilai Pengujian Driver EMS H-Bridge 30 A Duty Cycle Input Duty Cycle Error (PWM Arduino) Output Driver Error rata-rata 0.6 Berdaarkan tabel 4 ditunjukkan bahwa terdapat ratarata error ebear 0.6, ehingga dapat diimpulkan driver dapat bekerja dengan baik. D. Pengujian Kecepatan Motor Pengujian kecepatan motor dilakukan dengan memberikan nilai PWM ebear 0 55, kemudian diperoleh repon kecepatan motor eperti Gambar 8: Gambar 9. Grafik Sinyal PRBS dan Kecepatan Motor F. Identifikai Mengunakan MATLAB 7 Identifikai item bertujuan didapatkannya fungi alih dari keeluruhan item, pengujian dilakukan mengunakan oftware MATLAB 7 dengan failita ident yang dimilikinya. Data identifikai yang digunakan, PRBS ebagai input edangan kecepatan motor ebagai output. Struktur model yang digunakan adalah Auto Regreive with Exogenou input (ARX) dengan etimai parameter. Identifikai menggunakan Ident MATLAB dapat dilihat dalam Gambar 0. Gambar 0. Identifikai Menggunakan Ident MATLAB Jurnal Ika Kutanti, Januari 04

5 5 Gambar. Bet Fit Karakteritik Motor Dari Gambar didapatkan bet fit terbaik yaitu 90.5 % dengan fungi alih dikrit: A(q) = -.5 ( ) q^ ( ) q^-...() B(q) = ( ) q^ ( ) q^-....(3) Dari data diata bia didapatakan fungi alih dalam bentuk nya: F()= (4) G. Penentuan Parameter PID Untuk mendapatkan parameter PID yang yang diinginkan terlebih dahulu ditentukan pole yang dinginkan berdaarkan grafik root locu dari item. Dari grafik root locu dapat dilihat bahwa emua akar berada pada ii kiri bidang, dapat diimpulkan bahwa item tabil dalam nilai manapun, dalam penelitian ini dipilih pole = Root locu fungi alih item dan pemilihan pole dapat dilihat dalam Gambar. Gambar 4. Grafik Repon Sitem dengan PID Dari Gambar 3 dapat diketahui bahwa repon item tanpa menggunakan PID tidak dapat mencapai etpoint yang diinginkan. Dengan digunankannya parameter PID hail tuning didapatkan repon yang lebih cepat dari pada repond tanpa menggunakan PID, erta dapat mencapai etpoint yang diinginkan eperti tertera pada Gambar 4. Dari 4 jeni parameter PID yang didapat dipilih nilai PID yang memiliki repon terbaik yaitu : Kp = , Ki = 5 dan Kd = Gambar root locu dari fungi alih plant ditambah PID dapat dilihat dalam Gambar 5. Gambar 5. Root locu Sitem Keeluruhan Gambar. Root Locu Fungi Alih item dan Pemilihan Pole Selanjutnya dilakukan perthitungan untuk menetukan parameter PID euai dengan kriteria yang diinginkan dalam hal ini menggunakan metode root locu yang diimplementaikan dalam program MATLAB. Seuai dengan Peramaan 4. Grafik repon item tanpa PID dapat dilihat dalam Gambar 3 dan repon item menggunakan PID dapat dilihat dalam Gambar 4. H. Pengujian Sitem keeluruhan Pengujian item ecara keelurahan ini dilakukan untuk mengetahui kinerja perangkat kera dan perangkat lunak erta mengetahui repon keeluruhan item dengan PID. Implementai nilai parameter PID yang telah dihitung yaitu Kp = , Ki = 5 dan Kd = ke dalam rangkaian keeluruhan item dengan etpoint ph 6. Dari proe implentai terebut dihailkan repon eperti pada Gambar 5. Gambar 3. Grafik Repon Sitem Tanpa PID Gambar 6. Grafik Repon Sitem Keeluruhan Jurnal Ika Kutanti, Januari 04

6 6 V. KESIMPULAN DAN PROSPEK Hail pengujian keakuraian menggunakan inyal uji PRBS ebear 90.5 %, edangkan perancangan parameter PID mengunakan metode root locu dengan nilai pole = didapatakan nilai Kp = , Ki = 5 dan Kd = Setpoint ph 6 didapatkan time ettling=78, error teady tate=.63%. Hail ini menunjukkan bahwa dengan blok kontroler PID, Arduino UNO dapat mengendalikan kadar keaaman hidroponik troberi, namun kemampuan enor ph untuk menerima data cukup lambat diebabkan perubahan ph dalam air membutuhkan waktu pencampuran. Penelitian ini dapat diaplikaikan pada tempat pembudidayaan troberi. DAFTAR PUSTAKA [] Budiman, S Berkebun Stroberi Secara Komerial. Jakarta: Penebar Swadaya. [] Karono, S. 00. Hidroponik Skala Rumah Tangga. Jakarta : Agro Media Putaka [3] Perry, L. 0. Ph for The Garden. Florida: Soil Conervation Service. U.S. Department of Agriculture Handbook [4] Landau, Ioan dan Gianluca Zito Digital Control Sytem Deign, Identification and Implementation. Germany: Springer- Verlag London Limited [5] Philip, C. L. & Harbor, R. D Feedback Control Sytem. Prentice Hall. New Jerey. Jurnal Ika Kutanti, Januari 04