BAB II KONSEP DAN LANDASAN TEORI

Transkripsi

1 Bab II Konsep Dan Landasan Teori BAB II KONSEP DAN LANDASAN TEORI 2.1 Konsep Smart Home Dalam bab I telah dijelaskan mengenai latar belakang pembuatan tugas akhir ini, diantaranya berhubungan dengan kajian smart home. Dalam bab ini akan sedikit dipaparkan mengenai kajian smart home, diantaranya mengenai keamanan, kenyamanan dan penghematan energi. Secara garis besar smart home adalah sebuah sistem yang diaplikasikan pada rumah, bangunan atau ruangan untuk menjamin kenyamanan, keamanan pemilik atau penggunanya. Ketiga hal tersebut harus dapat dikontrol dan harus dapat diinformasikan kepada pengguna melalui suatu sistem kontrol dan sistem monitoring. Gambaran umum sistem smart home dan pokok bahasan yang dikerjakan pada tugas akhir ini dapat dilhat seperti pada gambar 2.1. Pokok pembahasan yang dikerjakan pada tugas akhir ini Gambar II.1 Diagram sistem smart home 4

2 Bab II Konsep Dan Landasan Teori Keamanan Sistem keamanan yang dibangun dalam suatu sistem smart home diantaranya ditujukan untuk melakukan tindakan pencegahan terhadap kejadian yang dapat membahayakan penghuni maupun property penghuni. Hal yang dapat membahayakan tersebut seperti pencurian dan kebakaran. Untuk mencegah hal tersebut dapat dibuat suatu sistem keamanan meliputi sistem kunci otomatis, kamera pengawas, pendeteksi maling maupun pendeteksi kebakaran. Tindak lanjut dari sistem keamanan dapat dilakukan oleh sistem smart home itu sendiri maupun diteruskan ke sistem lain misal sistem keamanan lingkungan seperti pihak kepolisian atau satpam Kenyamanan Sistem kenyamanan diantaranya ditujukan untuk membuat penghuni menjadi lebih nyaman berada di dalam ruangan dan dapat lebih berkonsentrasi dalam mengerjakan aktifitasnya. Sistem kenyamanan dapat meliputi pengaturan temperatur udara, kelembaban udara, aliran udara dan intensitas cahaya. Proses kontrol dalam sistem ini sangat penting dalam mengatur parameter yang dikontrol agar memiliki kondisi yang stabil sesuai dengan yang diinginkan Penghematan Energi Selain kemananan dan kenyamanan, penghematan energi menjadi sangat penting karena semua sistem dalam smart home akan menjadi tidak efesien apabila tidak mempertimbangkan penghematan. Diantara objek penghematan yang banyak digunakan dalam kehidupan manusia adalah listrik dan air, selain itu banyak juga dikaji bagaimana mencari dan menggunakan alternatif energi dalam suatu sistem seperti smart home, seperti penggunaan cahaya matahari atau angin. Penghematan energi listrik diantaranya dapat dilakukan melalui pengontrolan penggunaan energi listrik atau penggunaan capacitor bank. Capacitor bank merupakan suatu alat yang dapat peningkatan nilai faktor daya. Faktor daya maksimum bernilai 1, bila polaritas Tegangan dan Arus pada jaringan listrik tidak

3 Bab II Konsep Dan Landasan Teori 6 sama maka akan menyebabkan faktor daya menjadi berkurang kemudian menyebabkan daya cenderung mengalir dari peralatan ke sumber, hal ini akan memboroskan penggunaan listrik. Faktor daya dapat di dalam jaringan listrik akan turun apabila pada jaringan tersebut terdapat alat yang memiliki beban listrik yang mengandung reaktansi, seperti motor listrik, lemari es atau mesin cuci. Penghematan energi listrik secara sederhana dapat pula dilakukan melalui pengawasan penggunaan listrik pada power outlet dan pada lampu. Pengawasan power outlet dan lampu ini merupakan bahasan pokok yang nanti akan dibahas pada bagian selanjutnya Monitoring Keamanan, kenyaman dan penghematan energi harus dapat diinformasikan dan dikomunikasikan dengan pengguna. Sistem monitoring yang dikembangkan dalam smart home dapat berupa penyimpanan data yang sewaktu-waktu dapat dilihat untuk dianalisis atau dapat pula berupa tampilan data dari kondisi keamanan, kenyamanan serta penggunaan energi yang dapat dilihat langsung oleh pengguna. Sistem monitoring dalam smart home dapat dikembangkan melalui internet. Sistem monitoring melalui internet ini memungkinkan pengguna untuk dapat mengawasi atau me-monitoring keadaan ruangan, bangunan atau tempat tinggalnya walaupun tidak berada di tempat. Sistem monitoring ini pula dapat digunakan sebagai media untuk mengkontrol keamanan, kenyamanan maupun penghematan energi. 2.2 Landasan Teori Untuk membangun suatu sistem smart home, terutama dalam hal penghematan energi diperlukan komponen pendukung dalam mewujudkannya, diantaranya adalah penggunaan sensor dan piranti elektronika. Pada subbab ini selanjutnya akan dibahas mengenai prinsip dasar sensor dan rangkaian pendukung yang digunakan dalam pengerjaan tugas akhir ini.

4 Bab II Konsep Dan Landasan Teori Prinsip Dasar Sensor Transducer merupakan alat yang dapat mengubah suatu jenis besaran ke dalam besaran lain. Transducer yang mengubah besaran fisis ke dalam besaran listrik disebut dengan sensor. Sensor dapat menerima sinyal dan rangsangan dari besaran fisis seperti medan magnet, intensitas cahaya atau temperatur kemudian mengubahnya menjadi besaran listrik berupa tegangan, arus atau frekuensi. Besaran listrik yang dihasilkan oleh sensor dapat digunakan sebagai informasi dari besaran fisis yang diamati. Besaran listrik ini dapat diolah atau dikuatkan dengan menggunakan rangkaian elektronika berupa rangkaian pengolah sinyal, sehingga walaupun sensor sudah mengeluarkan sinyal listrik, sinyal tersebut tidak dapat langsung digunakan untuk pengolahan data namun harus melewati rangkaian pengolah sinyal Sensor Toroid Sensor Toroid terdiri dari kumparan pada suatu inti yang berbentuk lingkaran, seperti terlihat pada gambar 2.2. Gambar II.2 Toroid Pada sensor Toroid terdiri dari dua buah kumparan, yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder. kumparan primer merupakan kumparan yang menjadi objek pengukuran yang memiliki sumber arus, sedangkan kumparan sekunder adalah kumparan yang terinduksi oleh kumparan primer dan menjadi informasi sinyal yang diperlukan untuk melakukan pengukuran. Untuk mempelajari prinsip dasar dari toroid maka dapat dimulai dari memahami prinsip dasar dari kawat berarus, kumparan (solenoida) dan kemudian baru toroida. Prinsip dasar dari sensor toroid ini berawal dari prinsip kerja kawat berarus.

5 Bab II Konsep Dan Landasan Teori 8 Kawat yang dialiri arus I akan menghasilkan medan magnet B yang arahnya memenuhi kaidah tangan kanan, seperti yang terlihat pada gambar II.3.a. Kumparan yang diberi arus I akan menghasilkan medan magnet B yang arahnya terlihat seperti di gambar II.3.b yang juga memenuhi kaidah tangan kanan. a) b) Gambar II.3 Medan magnet B pada: a) kawat berarus b) kumparan berarus Besar medan magnet B {tesla (T)} pada suatu daerah luas A (m 2 ) didefinisikan sebagai besar fluks magnetik. Φ {Weber(Wb) = T.m 2 }. Secara matematis besarnya: Φ = B.A (2.1) Induktansi induktor dengan jumlah lilitan N merupakan akumulasi fluks magnet untuk setiap arus yang melewatinya, yang dapat dirumuskan dalam: L = N. Φ i (2.2) Sedangkan besar medan magnet (B) di titik tengah sebuah induktor merupakan hubungan antara permeabilitas bahan inti (µ), permeabilitas ruang hampa (µ 0 ) yang besarnya 4π*10 7, jumlah lilitan persatuan panjang (n) dan arus (i) yang melewati induktor dapat dirumuskan : B = µ.µ o. n. i (2.3)

6 Bab II Konsep Dan Landasan Teori 9 Bila n adalah jumlah lilitan persatuan panjang (l) N n = (2.4) l Gambar II.4 Kumparan Solenoida Maka dari hubungan persamaan (2.1), (2.2) dan (2.3) besarnya induktansi kumparan (solenoida) adalah: 2 µ. µ o. N. A L = (2.5) l Gambar II.5 Kumparan Toroida Untuk toroida bentuk kumparannya melingkar, sehingga l efektif kumparan pada toroida adalah l = 2. π.r (2.6)

7 Bab II Konsep Dan Landasan Teori 10 Maka besarnya induktansi toroida dapat dirumuskan menjadi 2 µ. µ o. N A L = (2.7) 2. π. r Bila kumparan yang telah diberi arus dan menghasilkan medan magnet kemudian didekatkan dengan kumparan lain dalam keadaan lingkar tertutup maka, medan magnet kumparan sumber akan menginduksi kumparan baru tersebut. Namun arah medan magnet induksi akan berlawanan dengan medan magnet sumber, sehingga hasil dari induksi medan magnet ini akan mengakibatkan kumparan yang baru memiliki ggl induksi dan pada akhirnya juga menghasilkan arus induksi yang arahnya juga berlawanan dengan arah arus sumbernya, seperti terlihat pada gambar II.6. Hal ini mengikuti hukum Lenz s yang menyatakan bahwa arus induksi yang timbul pada sebuah lingkar tertutup akan muncul berlawanan dengan arah arus sumbernya. Gambar II.6 Induksi magnetik Induksi ini timbul karena adanya perubahan fluks pada kumparan. Pada kumparan yang pada awalnya tidak memiliki arus dan medan magnet bila diinduksi akan timbul medan magnet yang arahnya berlawanan dengan sumber induksi, yang bertujuan mengimbangi keadaan awal dengan menghasilkan medan magnet yang arahnya berlawanan dengan sumbernya. Namun apabila arah dan besar medan magnet sumber tetap, maka tidak akan terjadi induksi karena tidak akan ada perubahan fluks. Sehingga syarat agar terjadi ggl induksi adalah dengan adanya perubahan fluks. Hal ini merupakan Hukum Faraday yang dinyatakan persamaan 2.8.

8 Bab II Konsep Dan Landasan Teori 11 dφ ε = N B (2.8) dt dimana ε : ggl induksi/beda potensial induksi (volt), ε V N : Jumlah Lilitan pada kumparan φ B : Fluks Magnetik (weber), tanda negatif merupakan penjabaran Hukum Lenz s yang menunjukan arah ggl induksi akan berlawan dengan arah sumbernya. Daya pada kedua kumparan didapat dari persamaan P = V I (2.9) P primer = P sekunder (2.10) Karena ε ~ N maka I I Primer Sekunder N Sekunder = (2.11) N Primer Sensor Inframerah Inframerah merupakan Gelombang Elektromagnetik yang memiliki panjang gelombang mulai 750 nm sampai dengan nm. Panjang gelombang inframerah ini lebih panjang dari cahaya tampak namun lebih pendek dari gelombang mikro. Inframerah diklasifikasikan menjadi tiga macam, yaitu inframerah yang memiliki panjang gelombang nm sampai dengan 1000 nm biasa disebut dengan istilah far-infrared, inframerah yang memiliki panjang gelombang 1000 nm hingga 2500 nm biasa disebut dengan mid-infrared dan terakhir yaitu inframerah yang memiliki panjang gelombang 2500 nm sampai dengan 750 nm atau biasa disebut dengan near-infrared. Sensor inframerah yang banyak dijual dan banyak digunakan adalah dari jenis near-infrared. Salah satu bentuk sensor inframerah terlihat pada gambar dengan bandwidth λ = 850 nm to

9 Bab II Konsep Dan Landasan Teori nm. Keluaran dari sensor relatif kecil (orde milivolt) dan biasanya diiringi oleh noice sehingga diperlukan pengolah sinyal untuk menghilangkan noice dan penguat untuk pengolahan selanjutnya. Gambar II.7 Sensor Inframerah ( Gambar II.8 Spektrum elekromagnetik Sensor LDR Sensor LDR atau Light Dependent Resistor adalah sensor yang dapat mendeteksi intensitas cahaya, hal ini karena permukaan LDR yang terbuat cadmium sulfide (CdS) hambatannya tergantung pada jumlah cahaya yang mengenai permukaan LDR. Hubungan antara hambatan LDR (R L ) dan intensitas cahaya (Lux) untuk beberapa jenis LDR tertentu adalah R L = 500 / Lux Kohm (2.12) Pada saat kondisi sangat gelap atau tidak ada cahaya, hambatan LDR dapat mencapai 10 Mohm sedangkan pada saat kondisi sangat terang hambatan LDR dapat di bawah 100 ohm.

10 Bab II Konsep Dan Landasan Teori 13 Gambar II.9 Bentuk Fisik Sensor LDR Rangkaian dan Komponen Pendukung Untuk dapat mengolah keluaran dari sensor maka diperlukan rangkaian pendukung sehingga data dari sensor dapat digunakan untuk melakukan suatu aksi. Rangkaian pendukung yang dimaksud adalah rangkaian pengolah sinyal, rangkaian filter, rangkaian penguat, ADC (Analog to Digital Converter), Mikrokontroler, dan Diac-TRIAC Pengolah Sinyal, Penyearah, Tapis dan Penguat Fungsi rangkaian pengolah sinyal dan filter adalah untuk menyesuaikan sinyal yang dihasilkan oleh sensor menjadi sinyal yang mudah untuk diolah dan terpilah dari sinyal gangguan. Sinyal yang dapat diolah dalam rangkaian elektonika terutama IC adalah sinyal yang searah, sehingga apabila sinyal yang dihasilkan oleh sensor tidak atau belum searah, maka perlu disearahkan menggunakan penyearah. Tampilan penyearahan sinyal dari sensor dapat terlihat pada gambar di bawah. (a) (b) Gambar II.10 Penyearahan sinyal a). sinyal dari sensor b).sinyal yang disearahkan Sinyal yang telah disearahkan, selanjutnya disaring agar terpisah dari gangguan. Proses penyaringan ini dapat dilakukan sebelum proses penyearahan maupun setelah proses penyearahan, namun pada umumnya rangkaian tapis telah terintegrasi beserta rangkaian penguat. Sedangkan pemasangan rangkaian penguat di awal penerimaan sinyal dari sensor dikhawatirkan akan menyebabkan penguatan terhadap noice. Rangkaian penguat diperlukan, karena keluaran dari

11 Bab II Konsep Dan Landasan Teori 14 sensor pada umumnya dalam orde milivolt, sedangkan rangkaian elektonik pengolah data dan IC yang digunakan bekerja pada tegangan dengan orde volt atau tegangan TTL 0-5 volt. Ada pula rangkaian filter yang terpisah dari rangkaian penguat, seperti filter pasif tapis lolos rendah yang berfungsi juga sebagai pengubah sinyal bolak-balik menjadi sinyal searah. Rangkain tapis pasif lolos rendah dan keluarannya ketika berfungsi sebagai integrator telihat pada gambar di bawah. Gambar II.11 Rangkaian integrator dan keluarannya Diagram pengolah sinyal dari penyearah, filter dan penguat dapat digambarkan seperti pada gambar dibawah. Gambar II.12 Bagan Pengolah Sinyal ADC (Analog to Digital Converter) Setelah sinyal yang berasal dari sensor disearahkan, disaring dan atau dikuatkan, pengolahan selanjutnya yang berhubungan dengan kepentingan tujuan sistem adalah mengonversinya ke dalam sinyal atau data digital. Untuk melakukan proses konversi ini digunakan ADC atau Analog to Digital Converter. ADC berfungsi mengubah sinyal analog menjadi digital.

12 Bab II Konsep Dan Landasan Teori 15 ADC yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah ADC0804 yaitu ADC 8 bit dengan menggunakan metode konversi pendekatan berturutan atau Successive Approximation Register (SAR). Waktu konversi ADC 0804 ini sekitar 100 mikro detik untuk clock 640 KHz, tegangan input 0-5 volt (1 channel) dan tegangan acuan 2,5 volt dengan ketelitian +/- 1 LSB Least Significant Bit. Sistem pewaktuan untuk ADC ini diatur oleh komponen-komponen R dan C pada pin-pin CLK-R dan CLK-IN dan tidak membutuhkan clock generator eksternal kerena ADC sudah dilengkapi oleh generator internal clock. Adapun cara kerja ADC 0804 secara umum, saat keadaan logika WR atau RD dalam kondisi low(0 volt), ADC ini dalam keadaan reset. Jika salah satu dari keadaan logika tersebut dalam kondisi high maka ADC mulai bekerja. SAR mengeluarkan 8 bit yang kemudian diubah menjadi tegangan analog oleh DAC. Tegangan ini dibandingkan dengan tegangan masukan analog, jika keluaran DAC lebih kecil dari tegangan masukan analog (V out DAC<V in, bit set = 1) maka SAR terus bekerja sampai pada kondisi dimana tegangan keluaran DAC lebih besar dari tegangan masukan analog (V out DAC>V in, bit set = 0). Pada saat itu keluaran komparator akan menghentikan SAR. Data pada keluaran SAR adalah data digital hasil konversi tegangan analog. Setelah selesai konversi, ADC akan memberi tanda dengan mengaktifkan INTR. Keluaran SAR disimpan sementara oleh latch sehingga dapat langsung berhubungan dengan bus ( jalur ) mikrokontroller Mikrokontroler Mikrokontroler merupakan suatu alat yang aplikasinya berorientasi pada pengontrolan piranti input/output, yang berbentuk suatu chip komputer. Di dalam satu chip mikrokontroler terdapat CPU, RAM, ROM, Register-register dan unit penunjang lainnya.

13 Bab II Konsep Dan Landasan Teori 16 Pada umumnya unit-unit yang terintegrasi dalam mikrokontroler adalah : Gambar II.13 Bagan Unit Mikrokontroler CPU: Central Proocecing Unit ini berfungsi memproses dan mengalkulasi semua data dan program yang dimiliki oleh mikro. Osilator: Berfungsi untuk memberi acuan nol-satu pada mikrokontroler. Interupt Control: Digunakan untuk menginterupsi program yang sedang berjalan dengan suatu aplikasi. ROM: Read Only Memori, yaitu memory yang disediakan oleh mikro untuk meyimpan program. ROM hanya bisa dibaca dan tidak bisa ditulis pada saat eksekusi program. ROM ini ada dua macam, yaitu EPROM (Eraseable Programable ROM) yang dapat dihapus programnya dengan cara menggunakan sinar ultraviolet dan dapat kembali diisi dengan menggunakan EPROM Programmer. Kedua adalah EEPROM (Electric Eraseable Programable ROM) yang dapat dihapus dengan memberi tegangan 5 volt selama beberapa menit, dan dapat diisi kembali menggunakan EEPROM maupun EPROM programmer. Program tidak hilang ketika mikro tidak diberi Vcc (tegangan input). RAM: Random Acces Memory, berfungsi sebagai tempat menyimpan data sementara. Program akan hilang ketika mikro tidak diberi Vcc.

14 Bab II Konsep Dan Landasan Teori 17 Timer: Timer ini terbagi menjadi empat macam, yaitu Timer 0, Timer 1, Timer 2 dan Timer 3. Serial Interface: Berfungsi untuk melakukan komunikasi serial, yaitu data dikirim secara antri/satu persatu. Paralel Interface: Berfungsi untuk melakukan komunikasi paralel, yaitu data dikrim secara bersamaan. Selain itu paralel interface ini dapat digunakan untuk memprogram mikrokontroler. I/O Port: Port input/output ini digunakan untuk melakukan penerimaan atau pengiriman data dari dan keluar mikrokontroler. Pada mikrokontroler keluarga MCS-51 terdapat empat buah port, yaitu port 0, port 1, port 2 dan port 3. Mikrokontroler yang digunakan dalam penelitian ini adalah mikrokontroler AT89S52 dari keluarga mikrokontroler MCS-51. Mikrokontroler AT89S52 memiliki 40 pin. Yang terbagi atas 4 buah Port 8 bit, PSEN (Program Store Enable), ALE (Address Latch Enable), EA (External Access), RST (Reset), Power Connection. Gambar II.14 Pin pada Mikrokontroler

15 Bab II Konsep Dan Landasan Teori TRIAC dan OptoDIAC Gambar II.15 TRIAC Triac merupakan terminal semikonduktor tiga kaki. Ada dua kaki berfungsi sebagai anoda dan katoda, sedangkan satu kaki lagi berfungsi sebagai terminal gate atau sebagai triger arus. Triac juga dikenal sebagai alat untuk mengkontrol arus yang bersifat AC atau bolak-balik, sedangkan untuk mendrive triac dari piranti elektronika DC diperlukan optodiac. Lambang dari optodiac dapat terlihat seperti pada gambar di bawah. Gambar II.16 optodiac Optodiac berfungsi sebagai optocoupler untuk memisahkan dan mengamankan piranti elektronik DC dengan AC dengan bantuan cahaya. Optodiac merupakan diac yang memiliki triger cahaya untuk menjalankan dua bagian atau terminal yang lainnya.