PEMANTAU KUALITAS LINGKUNGAN PORTABEL BERBASIS SISTEM ARDUINO

Transkripsi

1 PEMANTAU KUALITAS LINGKUNGAN PORTABEL BERBASIS SISTEM ARDUINO Prasetya, Dedi Ary 1*, Yusdianto, Viki 2 1,2 Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Surakarta Jl. A Yani Pabelan Kartasura, Sukoharjo, Jawa Tengah dediary@ums.ac.id Abstrak Kondisi lingkungan dipengaruhi banyak faktor, diantaranya adalah kualitas udara, khususnya kandungan oksigen O 2. Dalam penelitian telah dirancang sebuah perangkat yang dapat mengukur suhu, kelembapan udara serta koordinat dari tempat yang diukur. Perangkat ini menggunakan Arduino mini, sensor bmp280 untuk mengukur ketinggian dan tekanan, DHT11 sebagai sensor suhu dan kelembapa, sensor MQ135 sebagai sensor kualitas udara dan GPS sebagai sensor koordinatnya. Pengujian perangkat dlakukan pada tanah datar dan juga diterbangankan menggunakan sebuah drone dengan membandingkan hasil pegukuran di dua lokasi yang berbeda dan dua waktu yang berbeda. System ini menampilkan data pengukuran pada sebuah aplikasi visual pada computer berbasis MS-Windows yang hasil pengukurannya sesuai periodik tertentu dengan teknologi nirkabel. Dari hasil penelitian yang dilakukan rata-rata eror pembacaan antara lain pada pengkuran suhu nilai error-nya 0.7%, pengukuran kelembapai error 6.9%, dan pemantau ketinggian masih mempunyai error hingga 35%. Sistem komunikasi RF 433Mhz dan RF 5.8Ghz dapat bekerja dengan baik dengan jarak hingga 500 meter secara horizontal dengan kualitaas pengiriman yang baik di luar ruangan. Kata Kunci: BMP280, DHT11, MQ135, GPS, GUI, Telemetry 1. PENDAHULUAN Teknologi komunikasi menunjukan perkembangan yang sangat pesat mulai dengan teknologi komunikasi melalui kabel hingga saat ini teknologi komunikasi nirkabel atau radio frekuensi (RF). Radio frekuensi diterapkan dalam telekomunikasi untuk pertukaran informasi berupa suara, video, dan data yang digunakan untuk tujaan tertentu. Rekayasa dalam teknologi radio frekuensi mencakup bidang kesehatan, komunikasi, lingkungan dan masih banyak lagi. Di dalam bidang lingkungan digunakan untuk memantu perubahan data-data lingkungan disekitarnya. Data-data tersebut berupa suhu, kelembapan, tekanan udara, serta mendeteksi gas tententu pada ketinggian tertentu. Untuk itu dibutuhkan perangkat yang bersifat portable sehingga mudah diletakkan di segala posisi, misalnya di ruang terbuaka dengan ketinggian tertentu dari permukaan tanah. Yudhaniristo (2014) membuat prototipe alat monitoring radioaktivitas lingkungan, cuaca dan kualitas udara secara online dan periodic berbasis Arduino. Alat ini di rancang untuk merekayasa masukan dari sensor-sensor menjadi data cuaca, kaualitas udara dan radioaktivitaas lingkungan secara online. Ubaidillah(2015) meneliti alat ukur kualitas udara mengunakan sensor gas MQ135 berbasis Microkontroller ATMega16A. Sensor gas MQ135 mendekteksi kadar gas polutan yang ditampilkan dalam LCD (Liquid Crystal Display). Penelitian dalam artikel ini membahas bagaimana pemantau kualitas lingkungan bekerja membaca sensor sesuai parameter yang ada berupa suhu, kelembaban, gas, tekanan udara, ketinggian, foto dan video lingkungan sekitar, serta koordinat lokasi yang dipantau. Hasih baca parameter tersebut akan dikirim ke ground station(gs) melalui modul RF 433Mhz sedangkan untuk video lingkungan dikirim melalui modul RF 5.8Ghz. dan selanjut nya akan ditampilkan pada layar komputer melalui tampilan visual secara periodik dan parameter yang diterima oleh GS akan disimpan di data logger. 2. METODE Pada pembuatan dan perancangan perangkat ini peralatan dan komponen elektronika yang digunakan antara lain Sistem Arduino mini, modul kamera OV7670, modul GPS (Global Positioning Sistem), sensor BMP280, sensor DHT11, sensor gas MQ135, sensor pembagi tegangan, DC(Direct- Current) step up, RF (Radio Frekuensi) 433Mhz(Megahertz), RF 5.8Ghz(Gigahertz), Baterry LIPO, 21

2 USB (Universal Serial Bus)Extended, dan sebuah Quad Copter yang digunakan untuk pengujian perangkat di luar ruangan dengan ketinggian tertentu dari atas permukaan tanah. Perangkat pemantau kualitas lingkungan ini terpasang sensor MQ135 yang menghasilkan output tegangan analog yang selanjutnya dihubungkan ke Arduino mini sebagai masukan analog input yang akan diolah Arduino sebagai nilai kualitas udara. Pemantau kualiatas lingkungan ini membutuhan sensor yang dapat membaca suhu, tekanan udara dan ketinggian yang disediakan oleh sensor BMP280. Sensor DHT11 digunakan untuk memantau suhu dan kelembaban. Selain itu, pemantauan ini memerlukan sensor untuk mendedeksi lokasi untuk mengetahui dimana lokasi sebenarnya, yaitu mengunakan Global Positioning System(GPS). Pemantau tegangan battery juga disertakan pada perangkat ini. Sebuah kamera dipasang sebagai perangkat untuk mengambil gambar dan video. Sinyal video dari perangkat pemantau lingkungan dikirim ke komputer (Ground station) mengunakan modul transmitter TS832 frekuensi 5,8 Ghz. Untuk mengirim hasil baca sensor-sensor ke ground station mengunakan modul RF 433 Mhz. Perancangan Hardware yang akan digunakan untuk membuat perangkat pemantau Kualitas lingkungan ditunjukan dengan diagram blok yang diperlihatkan pada Gambar 1. Gambar 1. Diagram Blok Sistem perangkat pemantau kualitas udara Pemantau lingkungan ini Arduino mini sebagai unit pemroses terhubung ke beberapa modul: modul Kamera, modul GPS, sensor BMP280, sensor gas MQ135, DHT11, sensor Battery, modul RF 433 Mhz, Modul RF transmitter 5.8 Ghz dan power supply. Hasil pengukuran sensor dikirim lewat RF 433 Mhz dan 5.8Mhz dan dan diterima oleh ground station selanjut nya diolah oleh aplikasi visual untuk memudahkan dalam penyajian data. Diagram blok sistem GT diperlihatkan pada Gambar 2. 22

3 Gambar 2. Diagram Blok Sistem ground station Sistem ground station terdiri atas modul RF 433 Mhz, modul RF Receiver 5.8 Ghz, power supply, dan sebuah computer personal. Sementara itu Arduino mini di dalam perancangan ini digunakan untuk kendali sistem dengan bentuknya yang kecil dan ringan dengan performa yang baik untuk perangkat pemantau kualitas lingkungan. Arduino mini bertugas untuk mengolah inputan dari sensor-sensor dan akan dikirim ke RF 433Mhz berupa ketinggian, suhu, kelembaban, tekanan udara, latitude, longitude, satelit GPS, akurasi lokasi, jarak antara perangkat pemantau dengan ground station, kualitas udara, kadar CO 2, tegangan battery, dan status pengirim video. Selain itu, arduino mini juga mengendalikan RF 5,8 Ghz kapan mengirimkan video dan mematikan video sesuai keinginan operator melalui Software visual studio Sensor GPS digunakan untuk mengetahui posisi atau letak perangkat ini di atas permukaan bumi dengan bantuan penyelarasan sinyal satelit. Di dalam perangkat ini data yang diambil dari GPS antara lain data latitude, longitude, nomer satelit yang digunakan, akurasi posisi yang di tetapkan, dan jarak ground station dengan perangkat pemantau kualitas lingkungan. Sensor BMP 280 merupakan sensor tekanan yang popular digunakan untuk membaca tekanan udara di tempat tentu sekaligus dapat digunakan untuk membaca ketinggian di atas permukaan laut serta suhu disekitarnya. Sensor ini merupakan pengembangan dari sensor BMP 180 dan sensor BMP 085 yang dibuat sebelumnya dimana sensor ini membunyai akurasi yang tinggi dalam pembacaanya. Untuk komunikasi sensor ini mengunakan antar muka I2C yang mudah dalam intregasi dengan sistem Arduino. Sensor DHT11 merupakan sensor yang digunakan untuk membaca suhu dan kelembaban udara. Sensor MQ135 dipakai dalam perangkat pemantau kualitas lingkungan berfungsi untuk mendeteksi tingkat gas NH3(Amonia), NOx(Nitrogen Monoksida dan Nitrogen Dioksida), Alcohol, Benzene, Smoke, CO2(Carbon Dioksida) dan dapat dikembangkan untuk menganalisa kualitas udara disekitarnya. Sensor gas MQ135 akan memberi sinyal inputkan ke microcontroller berupa sinyal analog dan akan olah oleh microcontroller. Hasil pengelohan akan dikirim ke ground station. Sensor battery ini memakai prinsip pembagi tegangan dimana tegangan Battery akan dibuat tegangan referensi dari tegangan sumber yang lebih besar (tegangan battery), dengan mengunakan 2 buah resistor yang diseri dan titik tengah sebagai teganagan referensi dan ke dua titik input ke teganagan battery serta ground tegangan referensi akan dikirim ke Arduino (sinyal analog) yang akan diolah menjadi nilai digital yang menunjukan tegangan battery. Selain itu komponen paling utama dalam komunikasi antara perangkat pemantau kualitas udara dengan ground station adalah RF 443 Mhz dan RF 5.8Ghz. RF 443 Mhz digunakan untuk melakukan pengiriman hasil baca sensor-sensor yang telah diolah oleh Arduino. Sedangkan untuk RF 5.8 Ghz hanya mengirim sinyal video dari perangkat pemantau kualitas lingkungan ke ground station. 23

4 Gambar 3. Flow chart sistem kerja perangkat pemantau kualitas lingkungan Program pengendali system Arduino dibuat dengan mangacu urutan proses seperti pada Gambar 3. Pada flowchart proses awal dengan inisialisasi variabel dan port yang digunakan untuk tempat menampung data-data hasil sensor dan variabel untuk melakukan proses perhitungan sehingga nilai yang didapatkan meminimalkan selisih nilai dengan alat ukur yang tersedia. Variable yang diguanakan antara lain variable GPS, variable, BMP280, variable DHT11, variable MQ135, variable Battery, dan variable Video Sender. Berdasarkan flowchart ini hasil dari pembacaan suhu BMP280 sudah dikalibrasi dengan alat Krisbow KW agar hasilnya menjadi akurat. Pembacaan suhu dari sensor BMP280 ini digabungkan dengan nilai bacaan suhu dari DHT11. Pembacaan GPS member data GPS berupa latitude, longitude, nomer satelit yang digunakan, akurasi posisi yang di tetapkan, dan jarak ground station dengan perangkat pemantau kualitas lingkungan. Hasil baca sensor GPS ini akan dipakai untuk memberikan koordinat pada peta saat membuka kembali report pemantauan kualitas lingkungan. Pembacaan DHT11 yang yang dibaca berupa suhu dan kelembapan. Nilai suhu merupakan rata-rata dari pembacaan suhu dari BMP280 dan pembacaan suhu dari sensor DHT11. Sementara itu, untuk nilai kelembaban merupakan hasil baca dari sensor DHT11. Pembacaan sensor tegangan battery menggunakan inputan tegangan analog yang didapatkan dari pembagai tegangan dari battery tersebut selanjutnya akan diolah oleh Arduino sehingga menjadi data tegangan battery yang ditunjukkan Gambar 4. 24

5 Gambar 6. Pembacaan sensor battery Untuk kalibrasi hasil bacaan sensor battery menggunakan persamaan 1. X = ( Vref Resolution )/VB (1) Dimana, X = Nilai kalibrasi Vref = Voltase output dari sensor pembagi tegangan battery Resolution = 0,0049 nilai dari 5 Volt/ nilai variable karna mengunakan int maka nilainya VB = Nilai voltase battery yang di ukur Proses video sender mengamati berubahan data yang dikirim dari ground station untuk ON atau OFF modul RF 5.8 Ghz dan akan memberikan data kembali ke ground station tentang status RF 5.8Ghz dalam keadaan ON atau OFF. Pengiriman data mengunakan 4 tahapan pengiriman data dengan setiap pengiriman data mengunakan kode khusus agar bisa mengetahui data apa yang dikirim agar di ground station mudah dalam pemilahan data-data yang di diterima dengan tanda koma, sebagai pemisah data. Pemisahan data apa saja yang dikirim masing-masing kode dapat dilihat pada Gambar 5. Gambar 7. Format data yang dikirim dari perangkat pemantau kualitas air 2.1 Program pada Ground Station Program pengendali ini terdiri dari 2 tab yaitu tab HOME dan Tab SERIAL TERMINAL. Dalam tab HOME berisi pembacaan ketinggian, pembacaan tekanan udara, pembacaan Battery, peta posisi terbaru dari perangkat pemantau kualitas udara, pembacaan suhu, pembacaan kelembapan, pembacaan kualitas udara dan indexnya, pembacaan CO2, serta kontrol dan status pengiriman data video. Sedangkan untuk tab SERIAL TERMINAL terdiri dari teks box yang berisi data masukan dari perangkat pemantau kualitas lingkungan yang belum diolah oleh program. Program tersebut dapat dilihat di Gambar 6 dan 7. 25

6 Gambar 6. Tampilan tab HOME Gambar 7. Tampilan tab SERIAL TERMINAL Gambar 8. Data logger yang tersimpan. 26

7 Program ini dilengkapi oleh data logger yang berfungsi menyimpan data-data dari perangkat ini dalam format text, seperti yang ditunjukan Gambar 8. Sedangkan untuk videonya mengunakan apliksi Bandicam yang mudah diperoleh dengan bebas secara online. Program Bandicam dapat digunakan untuk merekam video dan mengambil foto dengan waktu tertentu. Dengan format video.avi dan format foto.jpg. 2.2 Perancangan Desain Perangkat Skematik perangkat elektronika diperlihatan pada Gambar 9. Gambar 9. Gambar skematik pemantau kualitas lingkungan Gambar 10. (a). Gambar tampak depan, (b). Gambar tampak belakang, (c). Gambar tampak atas, (d). Gambar tampak bawah. 27

8 Gambar 11. Quad Copter dan Perangkat Pemantau Kualitas Lingkungan Desain penyangga dan wadah terbuat dari bahan acrylic berbentuk tabung dengan tinggi 15cm, diameter tabung 10 cm, 2 buah antenna dengan berat total 330 gram seperti Gambar Pengujian Pengujian pemanatau lingkungan akan dilakukan di dua tempat yang berjauhan dan dengan waktu yang berbeda yaitu pagi, siang, serta sore hari dimana perangkat akan dipasang di bawah Quad Copter. Pengunaan Quad Copter untuk menerbangkan perangkat ini sangant cocok karena mempunyai tingkat terbang tinggi, stabil, mudah dalam pengunaan dan pengoperasiannya sebagai media untuk menerbangan perangkat pemantau kualitas udara. Untuk sensor MQ135 akan di uji mengunakan bakaran kertas sedangkan DHT11 dikalibrasi dengan alat ukur Krisbow KW HASIL DAN PEMBAHASAN Pengujian secara nyata dilakukan dengan menerbangkan perangkat pemantau bersama dengan Quad Copter yang diterbangkan hingga ketinggian tertentu, serta dilakukan ditempat terbuka untuk mengurangi ganguan antara RF pemancar dan RF penerima. Pengujian perangkat ini variabel suhu, kelembaban, ketinggian serta voltase battery.. Pada Tabel 1 uji coba dilakukan 3 kali untuk membandingkan tingkat error alat yang dibuat dengan alat ukur yang dibuat oleh pabrikan. Pada kolom alat merupakan hasil baca alat pemantau kualitas udara, sedangkan untuk kolom alat ukur merupakan hasil baca alat ukur yang dibuat pembanding dengan perangkat yang dibuat. Kalibrasi suhu dan kelembaban mengunakan alat ukur Krisbow KW06-787, untuk ketinggian mengunakan alat ukur meteran sedangkan untuk voltase battery mengunakan multimeter Sanwa YX360TRF. Pada kolom error merupakan persentase error pembacaan nilai alat dengan pembacaan nilai alat ukur dengan persamaan 2. Error = VA VAU VAU 100% (2) Dimana, Error : Hasil persentase eror alat dengan alat ukur VA : Nilai Alat VAU : Nilai Alat Ukur Dengan persamaan 2 tersebut, semakin kecil prosentase error maka semakin presisi hasil baca sensor pada alat pemantau kualitas udara. Hasilnya, untuk pengukuran suhu, kelembapan, dan battery mempunyai tingkat error yang cukup kecil sedangan untuk ketinggian mempunyai tingkat error yang besar dan semakin tinggi posisinya semakin kecil tingkat error nilai ketinggiannya. Untuk pengujian komunikasi RF 433Mhz dan RF 5.8Ghz dilakukan ditempat terbuka. Hasilnya ditunjukan seperti pada Tabel 2. 28

9 Tabel 1. Hasil uji coba perangkat dengan alat ukur Uji Suhu ( o C) Kelembapan (%RH) Ketinggian (Meter) Battery (Volt) Coba Alat Eror Alat Eror Alat Alat Eror Alat Alat Alat eror Alat ukur (%) ukur (%) ukur ukur Ratarata Tabel 2. Hasil uji coba komunikasi Ground station dengan Perangkat Jarak (meter) RF Mhz ada ada ada ada ada 5.8Ghz ada ada ada ada ada Percobaan selanjutnya perangkat akan di terbangkan mengunakan Quad Copter dengan 2 lokasi pada pagi dan siang hari. Untuk rincian dapat dilihat di bawah ini. Lokasi 1 dengan rincian uji coba alat di sebagai berikut. Tanggal : Senin, 31 Juli 2017 Alamat : Lapangan Sepak Bola Jalan Pabelan 1 Rt 01 Rw 02 Kelurahan Pabelan Kecamatan Kartasura Kabupaten, Surakarta, Pabelan, Kartasura, Kota Surakarta, Jawa Tengah Waktu : dan Tabel 3. Hasil Pengukuran pada lokasi 1 waktu pagi hari Kualitas Lokasi Ketinggian Tekanan Suhu Kelembapan NO Waktu udara Latitude Longitude Meter Pascal O C %RH 1 08:22: :22: :22: :23: :23: Tabel 4. Hasil Pengukuran pada lokasi 1 waktu siang hari Tekana Kualitas Lokasi Ketinggian Suhu Kelembapan NO Waktu n udara Latitude Longitude Meter Pascal O C %RH 1 13:17: :18: :18: :18: :18: Lokasi 2 dengan rincian uji coba alat di sebagai berikut. Tanggal : Senin, 31 Juli 2017 Alamat : Lapangan Sepak Bola Edupark UMSJl. Garuda Mas, Gonilan, Kartasura, Kabupaten Sukoharjo, Jawa Tengah 29

10 Waktu : dan Tabel 3. Hasil Pengukuran pada lokasi 2 waktu pagi hari Tekana Lokasi Ketinggian NO Waktu n Suhu Kelembapan Latitude Longitude Meter Pascal O C %RH 1 07:14: :14: :14: :14: :14: Kualitas udara Tabel 4. Hasil Pengukuran pada lokasi 2 waktu siang hari Tekana Kualitas Lokasi Ketinggian Suhu Kelembapan NO Waktu n udara Latitude Longitude Meter Pascal O C %RH 1 12:55: :55: :55: :55: :55: Dalam tabel 3 dan Tabel 4 menunjukan data-data yang dikirim dari perangkat pemantau lingkungan dengan data di atas saat siang hari kualitas udara semakin meningkat dibangdingkan pada bagi hari. Data-data yang dikirim dari perangkat pemantau lingkungan dengan data di atas saat siang hari dan lokasi yang berbeda menunjukan kualitas udara yang berbeda. Hal ini disebabkan semakin banyak aktifitas manusia yang berbeda tiap-tiap lokasi dan waktu akan mempengaruhi kualitas lingkungan sekitar. 4. PENUTUP Hasil penelitian Alat Pemantau Kualitas Lingkungan ini dapat ditarik beberapa kesimpulan: 1. Alat Pemantau Lingkungan ini telah selesai dibuat dan dapat mengukur dengan mengunakan sensor BMP280 sebagai sensor tekanan (ketinggian dan suhu), sensor DHT11 sebagai sensor suhu dan kelembapan, sensor MQ135 sebagai sensor kualitas udara, kamera sebagai pemgambilan foto lingkungan dan GPS sebagai penentuan lokasi pemantauan kualitas lingkungan. 2. Dari hasil penelitian yang dilakukan alat Pemantau Kualitas Lingkungan Portable mempunyai rata-rata eror pembacaan antara lain suhu mempunyai nilai eror 0.7%, kelembapan mempunyai eror 6.9%, battery mempunyai eror 0%, dan ketinggian mempunyai eror 35%. 3. Sistem komunikasi RF 433Mhz dan RF 5.8Ghz dapat bekerja dengan baik dengan jarak hingga 500 meter secara horizontal dengan kualitaas pengiriman yang baik di luar ruangan tanpa adanya halangan. 4. Komputer pada ground station dapat menampilkan tampilan visual dengan baik sesuai data parameter yang dikim dari alat pemantau lingkungan. 5. Kualitas lingkungan dipengarui oleh aktifitas manusia sesuai dengan waktu dan lokasi uji coba alat pemantau lingkungan. 5. DAFTAR PUSTAKA BMP280. (2017, july 4). Retrieved from Bosch Sensortec: DHT11. (2017, july 04). Retrieved from Micropik: Hart, M. (2017, july 05). TinyGPS++. Retrieved from Arduiniana: Nastangin, & Ningsih, M. R. (2013). Sistem Pengendali Lampu Rumah Mengunakan Wireless RF 433Mhz

11 olimex. (2017, juli 13). Retrieved from MQ135/resources/SNS-MQ135.pdf Ubaidillah, M. (2015). Alat Ukur Kualitas Udara Menggunakan Sensor Gas MQ135 Berbasis Mikrokontroller Atmega16a. Medan: Jurusan Metrologi Dan Instrumentasi Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam. wiring. (2017, july 2). Retrieved from Yudhaniristo. (2014). Prototipe Alat Monitoring Radioaktivitas Lingkungan, Cuaca, dan Kualitas Udara Secara Online dan Perodik Berbasis Arduino. Jakarta: Teknik Informatika Falkutas Sains dan Teknologi UIN. Zulni, A. (2015). Sistem Pendeteksi Kebocoran Gas dan Kualitas Udara di Laboratorium Pendidikan Kimia UIN Jakarta. Jakarta: Jurusan Teknik Informatika Fakultas Sains dan Teknologi UIN. 31