BAB 1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang

Transkripsi

1 BAB 1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Jaringan monitoring dan kontrol banyak diaplikasikan dalam kehidupan di sekitar kita. Bisa merupakan sebuah sistem yang diaplikasikan dalam lingkungan industri untuk mengontrol dan memonitor piranti yang ada di dalam area tersebut. Terdapat juga pada bidang otomotif untuk mengontrol dan memonitor berbagai sensor di kendaraan yang modern. Bisa juga diaplikasikan pada area bangunan yang digunakan sebagai building management system atau building automation system yang akan mengatur piranti pada bangunan tersebut seperti lighting, heating / cooling, ventilasi, air condition. Semua aplikasi kontrol dan monitoring tersebut diadakan dengan maksud untuk memberikan kemudahan, kenyamanan, dan keselamatan bagi penggunanya. Sebagai konsekuensi diadakannya berbagai fasilitas kontrol dan monitoring tersebut, maka muncul masalah yaitu bagaimana tata cara mengatur atau mengendalikan nya. Maka, diadakanlah protokol komunikasi yang standard sebagai tata cara untuk pengaturannya. Terdapat berbagai protokol komunikasi pada bidang monitoring dan kontrol ini. Protokol tersebut mempunyai area aplikasi nya masing masing. Pada lingkungan industri misalnya, terdapat protokol Profibus, MODBUS. Protokol ini bisa dipakai untuk jarak sampai 1200 meter dengan data rate dari 94 kb / s sampai 12 Mb / s, digunakan pada area harsh (area dengan tingkat kebisingan dan noise yang tinggi). Pada area otomotif ada protokol CANbus, LINbus, dan MOST. Karakteristik protokol untuk area otomotif adalah hanya bisa digunakan pada jarak yang pendek. Untuk aplikasi area building, terdapat protokol komunikasi BACnet, LonWorks, dan MODBUS. Protokol untuk aplikasi ini mempunyai karakteristik bisa digunakan untuk jarak yang panjang, dan tidak memerlukan data rate yang tinggi. Yang dibahas di sini adalah sebuah jaringan monitoring dan kontrol untuk aplikasi bangunan. Bangunan (building) memiliki berbagai fungsi. Salah satu fungsinya adalah sebagai tempat tinggal (hunian) untuk ditempati bagi penghuni bangunan tersebut. Bisa ditempati secara terus menerus pada keseluruhan waktu siang hari dan malam hari, ataupun hanya dihuni pada siang hari, atau hanya pada saat saat tertentu saja. Wolfgang Kastner, Georg Neugschwandtner, Stefan Soucek, dan H Michael Newman [58] mendefinisikan bangunan berukuran besar dengan fungsi tertentu seperti misalnya bangunan bangunan kantor, rumah sakit, gudang atau department store dan juga bangunan 1

2 dengan instalasi yang lebih kecil seperti misalnya toko toko retail chain atau stasiun pengisian bahan bakar adalah termasuk dalam kategori bangunan yang dibicarakan di sini. Pada sebuah paper yang lain, K.S.Rama Rao, Yew Tung Meng, Soib Taib, dan Syafrudin. M [32] menyatakan bahwa sebuah bangunan rumah dengan sebuah ruang keluarga, dua kamar tidur, sebuah dapur, sebuah toilet dan sebuah kamar mandi bisa dimasukkan dalam kategori building dalam building management system ini. Protokol komunikasi yang dimanfaatkan untuk jaringan ini adalah yang memang didedikasikan untuk area building automation system. Protokol BACnet biasanya digunakan dengan jaringan internet. Protokol komunikasi LonWorks, walaupun jaringan nya dibuat dengan medium twisted pair biasa, tetapi membutuhkan IC Transceiver khusus. Bentuk pesan pada protokol LonWorks pun lebih rumit dibandingkan protokol MOBUS. Protokol komunikasi MODBUS adalah protokol komunikasi yang sudah lama digunakan pada lingkungan industri, sampai saat ini. Karena karakeristik frame MODBUS yang memang mendukung untuk aplikasi building automation system, maka protokol ini akhirnya banyak diadopsi untuk digunakan pada area ini. Untuk penelitian ini, digunakan protokol MODBUS. Pertimbangan nya adalah karena protokol MODBUS bersifat sederhana, sehingga mudah untuk implementasi secara software dan hardware nya. Protokol MODBUS ini secara hardware bisa diimplementasikan menggunakan beberapa metode. Pertama adalah implementasi menggunakan FPGA (Field Programmable Gate Array). Implementasi menggunakan FPGA memberi kesempatan pengguna untuk mengkonfigurasikan sendiri Integrated Circuit yang sudah didesain, menggunakan sebuah Hardware Description Language (HDL). Misalnya VHDL atau Verilog. Untuk implementasi menggunakan Mikrokontroler, pengguna diberi kemudahan untuk memanfaatkan berbagai peripheral feature yang ada pada Mikrokontroler tersebut. Penelitian ini menggunakan metode pemanfaatan Mikrokontroler. Pertimbangan nya adalah peripheral feature yang ada pada MCU sudah cukup memadai untuk men support berbagai persyaratan yang harus ada untuk protokol MODBUS. Apabila digunakan implementasi FPGA, diperlukan waktu tambahan untuk mengkonfigurasi IC FPGA tersebut, untuk mengkonfigurasikan programmable logic block yang ada pada FPGA tersebut menjadi berbagai combinational function yang dibutuhkan untuk mengimplementasikan protokol MODBUS. Untuk prototyping FPGA untuk standard cell ASICs, misalnya, membutuhkan waktu lebih dari enam bulan untuk sampai pada tahap produksi [23]. Biaya yang dibutuhkan juga mahal. Sebagai contoh, development cost untuk untuk sebuah desain ASIC/SoC 90 nm adalah sekitar 20 juta dollar [23]. 2

3 Implementasi hardware MODBUS ini akan membutuhkan dua komponen utama yaitu peripheral feature komunikasi dan feature I/O. Ada beberapa macam peripheral feature komunikasi yang biasanya ada pada MCU, yaitu SPI (Serial Peripheral Interface), TWI (Two- Wire Serial Interface), dan USART (Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter). Interface SPI hanya bisa digunakan untuk aplikasi jarak yang pendek, sehingga tidak bisa memenuhi spesifikasi physical layer protokol MODBUS untuk jarak sampai 1200 meter. Pada interface TWI, address packet dan data packet mempunyai format yang berbeda dari format frame MODBUS serial line. Peripheral feature programmable serial USART mempunyai format frame yang men support frame MODBUS serial line. Oleh karena itu, peripheral komunikasi yang akan digunakan adalah USART. Selanjutnya, protokol MODBUS menggunakan istilah Modbus Discrete Inputs, Modbus Coils, Modbus Input Registers, dan Modbus Holding Registers, yang bisa diklasifikasikan sebagai Digital Output, Digital Input, Analogue Output, dan Analogue Input secara berturut turut. Ini dipenuhi oleh mikrokontroler dengan feature I/O yang ada pada MCU. Dengan demikian, Mikrokontroler yang dipilih harus memiliki peripheral komunikasi USART dan kemampuan I/O analog maupun digital. Dari berbagai jenis mikrokontroler yang mempunyai fasilitas USART, dipilih Mikrokontroler seri AT Mega karena MCU tersebut memiliki sebuah piranti komunikasi USART yang sangat fleksibel. Fleksibilitas ini ditunjukkan dengan kemampuan USART tersebut untuk mengakomodasi berbagai kombinasi frame format. USART ini bisa diimplementasikan dengan rentang baud rate yang memenuhi persyaratan spesifikasi MODBUS. Feature I/O pada MCU seri AT Mega adalah berupa Digital Input, Digital Output, dan Analog Input. Untuk implementasi hardware MODBUS menggunakan mikrokontroler, diperlukan sebuah development board. Diputuskan untuk menggunakan development board Arduino UNO AT Mega 328P dan Arduino MEGA AT Mega 2560 karena terdapat mikrokontroler AT Mega 328P dan AT Mega 2560 pada kedua development board tersebut Perumusan Masalah Permasalahan yang menjadi tema Tesis ini adalah mendesain sebuah jaringan monitoring dan kontrol yang akan digunakan untuk apikasi Building Management System (Building Automation System). Jaringan ini berbasis Master Slave (lebih tepatnya satu master multiple slave) dan bisa digunakan sampai jarak 1200 meter. 3

4 1.3. Keaslian Penelitian Guojun Zhang [20] menjelaskan tentang Building Automation Network System yang diaplikasikan pada Automatic Control System untuk Air Conditioning. Sementara R. S. Hsiao, D. B. Lin, H. P. Lin, C. H. Chung dan S. C. Cheng [51] memaparkan pengintegrasian sebuah lighting control sebagai bagian dari sebuah Building Management System. Pada paparan tulisannya, Deborah Snoonian [11] menjelaskan Building Management System berbasis pada protokol BACnet. Protokol LonWorks yang diaplikasikan pada private homes dijelaskan oleh Peter Palensky, Dietmar Dintrich, Ratko Posta, Heinrich Reiter [46]. Untuk penggunaan protokol komunikasi MODBUS, Cristian Spirleanu dan Eugen Diaconescu [9] menjelaskannya pada papernya tentang Multi-Agent Distributed Infrastructure untuk Intelligent Building Control. Dari sisi implementasi hardware, Jaimeen N. Chatrawala, Nandish Jasani, dan Vidita Tilva [25] dalam penelitiannya menjelaskan tentang implementasi MODBUS untuk aplikasi data akuisisi, menggunakan hardware FPGA. Sementara hal yang sama dilakukan oleh Yu Peng, Laping Wu, Datong Liu [59] yang mengimplementasikan MODBUS menggunakan hardware FPGA untuk aplikasi Distributed Environmental Monitoring System for Energy Saving Control System. Pada penelitian ini, penulis mengemukakan dari sisi jenis implementasi hardware nya. Yaitu penggunaan Microcontroller Unit (MCU) sebagai implementasi hardware dari MODBUS. Fasilitas peripheral komunikasi serial USART dan I/O pada MCU akan dimanfaatkan untuk pendukung protokol MODBUS yang dipakai di jaringan yang dibuat ini Tujuan Penelitian Dari bagian perumusan masalah di atas, maka dihasilkan tujuan dari penelitian ini yang dijelaskan dalam poin poin berikut ini : 1. Membuat sistem pemonitoran dan pengontrolan data yang bisa dipasang pada bangunan yang berfungsi sebagai sebuah building management system. 2. Mempersiapkan dan membuat protokol yang akan digunakan untuk protokol komunikasi serial dengan kecepatan yang biasa digunakan pada building management system yaitu 9600 bps dan bps. 3. Mempersiapkan dan membuat konfigurasi (topologi) jaringan yang akan digunakan. 4. Mempersiapkan Microcontroller Unit beserta pemrogramannya yang akan digunakan sebagai piranti utama kontroler. 4

5 1.5. Manfaat Penelitian Berikut ini adalah beberapa manfaat yang bisa diambil dari adanya penelitian ini : 1. Sistem ini bisa digunakan untuk mengontrol berbagai piranti listrik dan atau mekanik yang di embed kan pada building. 2. Sistem ini bisa membaca status ON / OFF piranti listrik dan atau mekanik yang dipasang pada building. 5