SISTEM MONITORING KECEPATAN MOTOR DC JARAK JAUH MENGGUNAKAN JARINGAN NIRKABEL ZIGBEE DAN ARDUINO UNO ATMEGA 328P

Transkripsi

1 SISTEM MONITORING KECEPATAN MOTOR DC JARAK JAUH MENGGUNAKAN JARINGAN NIRKABEL ZIGBEE DAN ARDUINO UNO ATMEGA 328P Ridho Faisal*,Ir.N.H Kresna,M.T**,Mirza Zoni, S.T, M.T** (1)Mahasiswa Teknik Elektro, (2) Dosen Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Bung Hatta Sistem kendali nikabel semakin berkembang dan diaplikasikan pada banyak system kendali. Pada saat yang sama Zigbee hadir dengan menawarkan yang unik yaitu data rate yang rendah, hemat dalam penggunaan energi dan sekuritas yang mumpuni. Ini merupakan kesempatan untuk semakin berkembangnya system kendali jarak jauh dimama kita mengendalikan plant dari jarak yang cukup jauh sekitar 70 meter. Zigbee secara signifikan mampu memberikan terobosan dalam mengatasi masalah-masalah yang sering terjadi dalam system kendali, sensor dan otomasi. Tugas Akhir ini bertujuan mengimplementasikan sebuah sistem kendali kecepatan motor DC dari jarak jauh. Sistem ini akan melewati dua sisi Xbee dan dua mikrokontroler Arduino UNO AVR ATMega 328. Pada sisi transmitter arduino mencatat semua perilaku motor kemudian di-link-kan dengan Xbee sisi plant dan dipancarkan ke pemerima pada sisi monitor yaitu komputer. Pada sisi computer Adapter Xbee akan merubah sinyal analog dari Xbee menjadi sinyal digital sehingga dapat ditampilkan dalam desktop pada layar komputar. Dengan demikian perilaku motor dapat diamati dari jarak jauh. Metoda kendalian motor DC menggunakan metoda Pulse Wide Modulation berdasarkan fungsi pewaktu. Data perilaku motor yaitu kecepatan, tegangan dan arus ditampilkan dalam desktop pada layar komputer di ruang kendali. Sistem kendali ini dapat memberikan gambaran perilaku motor. saat arduino di set 8 bit, besaran PWM yang dibuat 30~ (kecepatan minimum) menghasilkan kecepatan 180 RPM pada motor dan disaat dibuat 110~ (kecepatan maximum) menghasilkan kecepatan 390 RPM. Hasil analisa yang didapat pada xbee bahwa semakin jauh jarak antar xbee maka akan semakin besar pula delay time kecepatan transfer datanya, dalam kondisi ruangan indoor / outdoor mempengaruhi jangkauan koneksi antar Xbee yang mana pada saat kondisi berpenghalang (indoor) xbee hanya terkoneksi samapai jarak 30 meter dengan delay time maximal 3,6 detik sedangkan pada jarak tidak berpenghalang (outdoor) xbee dapat menjangkau sampai 70 meter dengan delay time maximal 3 detik. Kata Kunci: Arduino, Xbee, PWM, Jarak, Kecepatan

2 1. PENDAHULUAN Dewasa ini sistem kendali mengalami kemajuan yang sangat pesat dan bahkan akan berkembang semakin cepat. Sistem kendali tertanam Ditengah-tengah berkembangnya berbagai protokoler komunikasi, Zigbee hadir dengan penawaran yang unik. Zigbee menawarkan data rate yang rendah, hemat dalam penggunaan energy, dan juga sekuritas yang mumpuni. Selain itu Zigbee dapat mengirim sinyal hingga mencapai jangkauan 75 meter sehingga ini menjadi kesempatan yang sangat baik untuk mengembangkan sistem kendali jarak jauh. Diharapkan Zigbee dapat menjadi solusi yang baik dalam mengatasi permasalahan pengendalian secara nirkabel. Teknologi mikrokontroller saat ini telah berkembang pesat. Sehingga aplikasinya semakin luas, penggunaan mikrokontroller untuk mempermudah dan mempercepat penggunaan alat lain. Salah satu mikrokontroller yang banyak digunakan adalah Arduino. Arduino adalah pengendali mikro single-board yang bersifat opensource dan diturunkan dari Wiring platform. Arduino dirancang untuk memudahkan penggunaan elektronik dalam berbagai bidang. 1.1 DEFINISI MASALAH Perancangan sistem informasi pengukuran dan pengendalian kecepatan motor DC ini ialah bagaimana cara mengendalikan motor DC menggunakan sistem timer dan menampilkan hasil pengukuran kinerja Motor DC dalam suatu interface pada sebuah PC secara realtime. 1.2 TUJUAN PENELITIAN Tugas akhir ini dirancang dengan tujuan sebagai berikut : 1. Membuat sistem kendali kecepatan motor DC jarak jauh secara nirkabel protokoler Zigbee dan Arduino. Pengamatan dan perilaku motor DC dilakukan secara realtime melalui sebuah laptop 2. Memonitoring kecepatan motor dan mengendalikannya secara otomatis apabila motor berjalan dalam waktu yang berbeda. 3. Mempermudah monitoring dan pengoperasian Motor DC secara jarak jauh. 4. Mempelajari ilmu pengetahuan baru di bidang komunikasi berbasis kontrol 2. KAJIAN TEORI 2.1 Protokol Zigbee

3 2 ZigBee adalah protokol jaringan nirkabel yang ditargetkan untuk otomasi dan aplikasi remote control dengan teknologi data rate rendah, konsumsi daya rendah, dan harga murah. ZigBee diharapkan dapat memperkecil biaya dan menjadi konektivitas berdaya rendah untuk peralatan yang memerlukan baterai untuk hidup selama beberapa bulan sampai beberapa tahun, tetapi tidak memerlukan kecepatan transfer data tinggi. Perangkat nirkabel ZigBee diharapkan dapat digunakan untuk mengirimkan data sejauh meter, tergantung pada lingkungan RF (Radio Frekuensi) dan output konsumsi daya yang diperlukan untuk diberikan aplikasi. menggunakan PWM kita dapat mengatur kecepatan yang diinginkan dengan mudah. Teknik PWM untuk pengaturan kecepatan motor adalah, pengaturan kecepatan motor dengan cara merubah-rubah besarnya duty cycle pulsa. Pulsa yang yang berubah ubah duty cycle-nya inilah yang menentukan kecepatan motor. Besarnya amplitudo dan frekuensi pulsa adalah tetap, sedangkan besarnya duty cycle berubah-ubah sesuai dengan kecepatan yang diinginkan, semakin besar duty cylce maka semakin cepat pula kecepatan motor, dan sebaliknya semakin kecil duty cycle maka semakin pelan pula kecepatan motor. 2.2 PWM PWM (Pulse Width Modulation), salah satu teknik untuk mengatur kecepatan motor DC yang umum digunakan. Dengan 2.3 ARDUINO Arduino adalah pengendali mikro singleboard yang bersifat open-source, diturunkan dari Wiring platform, dirancang untuk memudahkan penggunaan elektronik dalam berbagai bidang. Perangkat kerasnya memiliki prosesor Atmel AVR dan perangkat lunaknya memiliki bahasa pemrograman yang dinamakan processing.

4 3 Arduino Uno AVR ATMega 238 adalah rangkaian elektronik berukuran kecil yang dapat di program untuk membaca sensor mengendalikan akuator, dan juga berkomunikasi dengan komputer. Papan Arduino Konfigurasi Arduino Uno AVR ATMega 238 : 1. Mikrokontroler ATmega Beroperasi pada tegangan 5 volt 3. Tegangan input (rekomendasi) 7-12 V 4. Batas tegangan input 6-20V 5. Pin digital input/output 14 (6 mendukung output PWM) 6. Pin analog 6 7. Arus pin per input/output 40 ma 8. Arus untuk pin 3.3V adalah 50mA 9. Flash memory 32 KB (ATmega 328) yang mana 2 KB digunakan oleh bootloader 10. SRAM 2 kb (ATmega 328) 11. EEPROM 1 kb (ATmega 328) 12. Kecepatan clock 16 Mhz Konfigurasi Arduino 2.4 MODUL XBEE XBee merupakan modul yang memungkinkan Arduino untuk berkomunikasi secara wireless menggunakan protokol ZigBee. Xbee yang digunakan pada tugas akhir ini adalah xbee series 2 2 Mw. ZigBee beroperasi pada spesifikasi IEEE radio fisik dan beroperasi pada band berlisensi termasuk 2.4 GHz, 900 MHz dan 868 MHz. Basis XBee berasal dari modul MaxStream. Modul ini memungkinkan komunikasi wireless dalam jangkauan hingga 30 meter (dalam ruangan) atau 100 meter (luar ruangan). Modul XBee Pada dasarnya, XBee merupakan komunikasi serial. Akan tetapi, apabila

5 4 mode API digunakan, dibutuhkan pemaketan data RF. Untuk itu, data akan dibuffer terlebih dahulu sebelum dikirim atau diterima. Flow data serial menjadi paket RF. Pada XBee apabila ada data input (DI), data akan masuk ke DI buffer. Setelah itu, input data akan diteruskan ke RF TX buffer, kemudian untuk mentransmisikan input data, posisi RF switch menjadi transmitter. Begitu juga sebaliknya, apabila ada data yang diterima, posisi RF switch menjadi receiver lalu data akan masuk RF RX buffer, kemudian data diteruskan ke DO buffer lalu menjadi data output (DO), kemudian DO diteruskan dari XBee ke host. Diagram data flow internal Modul RF interface XBee/XBee- PRO OEM berhubungan dengan melalui logic-level asynchronous serial port. Melalui serial port ini, modul dapat berkomunikasi dengan logic dan voltage kompatibel Universal Asynchronous Receiver-Transmitter (UART) atau melalui level translator ke semua serial device board.uart atau Universal Asynchronous Receiver-Transmitter adalah bagian perangkat keras komputer yang menerjemahkan bit-bit paralel data dan bitbit serial.uart biasanya berupa sirkuit terintegrasi yang digunakan untuk komunikasi serial pada komputer atau port serial perangkat peripheral.device yang memiliki interface UART dapat terhubung langsung pada pin modul RF. Sistem data flow diagram pada lingkungan UART Pada mode operasi XBee Application Programming Interface (API), data yangmasuk diurutkan pada frame sesuai dengan urutan yang telah ditentukan. Data frame yang berurutan ini akan membantu dalam proses membedakan command, command response, API frame XBee 2.5. MOTOR Motor DC merpakan motor listrik yang memerlukan tegangan searah pada kumparan medannya untuk diubah menjadi

6 5 energi mekanik. Bagian utama motor DC terdiri atas statos dan rotor. Stator adalah bagian yang tidak berputar dan terdapat kumparan medan, sedangkan rotor merupakan bagian yang berputar dan terdapat kumparan jangkar. Bentuk motor DC paling sederhana dapat memiliki kumparan dengan satu lilitan yang bisa berputar bebas di antara kutub-kutub magnet permanen.. Konstruksi Motor Pada motor DC jika kumparan jangkar diputar dalam pada medan magnet, maka akan timbul tegangan (GGL) yang berubahubah arah pada setiap setengah putaran, sehingga merupakan tegangan bolak-balik. Prinsip kerja motor DC daerah kumparan medan yang dialiri arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu. Konversi dari energi listrik menjadi energi mekanik maupun sebaliknya berlangsung melalui medan magnet, dengan demikian medan magnet selain berfungsi sebagai menyimpan energy sekaligus juga sebagai tempat berlangsungnya proses perubahan energi dan daerah tersebut. Konstruksi Motor DC Adapun arus listrik yang melewati kumparan akan menyebabkan terbentuknya GGL lawan (Eb) pada kumparan sebesar, adapun rumus dari GGL dapat dilihat pada persamaan berikut Eb = Dimana : Eb = GGL lawan (volt) P = jumlah kutub-kutub motor a = jumlah cabang sisi kumparan n = jumlah penghantar Ф = fluks per kutub (maxwell) 2.6 DRIVER MOTOR Driver Motor DC biasa digunakan untuk mengendalikan motor agar motor dapat dikendalikan melalui mikrokontroler,

7 6 sehingga motor dapat berputar, kecepatan motor bisa diatur termasuk arah putar. Wireless Xbee Transmiter Wireless Xbee Receiver Laptop Acer Aspire 4752 Driver Motor DC berfungsi sebagai penguat Piringan Motor arus dan tegangan, sehingga motor mendapatkan supplay arus yang sesuai, L298N adalah driver motor dc, H-Bridge yang paling sederhana dan mudah untuk Modul Operator dipergunakan, untuk rangkaianpun menjadi Model perancangan alat lebih simple dan sederhana. 3.2 PERANCANGAN JARINGAN XBEE TRANSMITER (PENGIRIM) Konfigurasi PIN dan rangakaian L298N 3. PERANCANGAN MODEL 3.1 Konsep Perancangan Berikut ini adalah model perancangan kendali kecepatan motor dc jarak jauh menggunakan jaringan nirkabel. dimana dalam perancangan alat tahap pertama yang dibuat adalah suatu konsep atau blok diagram agar lebih terlihat bentuk dan alur dari rancangan tersebut, XBee merupakan modul yang memungkinkan Arduino untuk berkomunikasi secara wireless menggunakan protokol ZigBee. Xbee berfungsi sebagai mengirim data yang diolah oleh arduino berbentuk sinyal digital. ZigBee beroperasi pada spesifikasi IEEE radio fisik dan beroperasi pada band berlisensi termasuk 2.4 GHz, 900 MHz dan 868 MHz. Basis XBee berasal dari modul MaxStream. Modul ini memungkinkan komunikasi wireless dalam jangkauan hingga 30 meter (dalam ruangan) atau 100 meter (luar ruangan). XBee dapat digunakan sebagai pengganti kabel serial, dapat juga digunakan sebagai mode perintah untuk suatu broadcast, dan pilihan menghubungkan suatu jaringan

8 7 XBee Arduino Arduino Shield Xbee Rangkaian skematik Xbee Transmiter 3.3 PERANCANGAN JARINGAN XBEE RECEIVER Xbee Receiver (penerima) bertugas dalam menerima data yang dikirim oleh xbee transmitter (pengirim). Alat ini terhubung pada Laptop PC (Personal Computer), Pada Xbee receiver tidak menggunakan arduino sebagai alat yang merubah sinyal analog menjadi sinyal digital tetapi menggunakan xbee adapter. adapter menjadi socket xbee, dan dikonversikan menjadi serial USB / universal serial bus, sehingga USB dapat langsung dimasukan ke laptop. Sinyal yang dikirim sudah berbentuk sinyal digital, jadi data sudah bisa diakusisi oleh laptop secara langsung. Adapter Gambar 3.4 Rangkaian skematik Xbee Receiver 3.4 RANGKAIAN KESELURUHAN Adapun keseluruhan rangkaian skematik dapat dilihat pada Gambar 3.9, dari rangkaian terlihat bahwa mikrokontroler menerima banyak input berupa sensor yang meliputi sensor arus, tegangan DC, tegangan AC, kecepatan motor dan berat beban serta driver motor DC sebagai Output.

9 8 didapatkan sebesar 1 detik, hal itu berlangsung sampai jarak 15 meter, delay time bertambah secara linear sehingga pada jarak 30 meter delay time menjadi 3,6 detik Xbee Rangkaian skematik secara keseluruhan 4. PENGUJIAN DAN ANALISA DATA 4.1 ANALISA PENGUJIAN MOTOR Delay Time (Detik) KONSTAN Jarak (M) Grafik pengujian delay time motor konstan indoor Bahwa semakin jauh jarak antar xbee maka akan bertambah besar pula delay time yang dihasilkan dalam mentransfer data. Pada jarak 5 meter delay time yang Delay Time (Detik) Grafik pengujian delay time motor konstan Outdoor Sama halnya dengan pengujian indoor bahwa semakin jauh jarak antar xbee maka akan bertambah besar pula delay time yang dihasilkan dalam mentransfer data. Pada jarak 10 meter delay time yang didapatkan sebesar 1 detik, hal itu berlangsung sampai jarak 30 meter, delay time bertambah secara linear sehingga pada jarak 70 meter delay time menjadi 3 detik, perbedaanya dengan posisi xbee indoor yaitu jarak jangkauan disaat xbee outdoor lebih jauh dan delay time nya lebih cepat dibandingkan dengan posisi xbee indoor. Jarak (M)

10 9 4.2 PENGUJIAN KECEPATAN MOTOR DIVARIASIKAN Delay Time (Detik) Pada pengujian motor dengan kecepatan berubah dari Tabel Jarak (M) Gambar 4.17 Grafik pengujian delay time kecepatan motor divariasikan 4.2 ANALISA TEGANGAN PWM PADA MOTOR Saat ini PWM dapat dihasilkan dari mikrokontroller, arduino, pwm memiliki alokasi data 8bit, alias memiliki rentang data dari Motor berputar disebabkan karena adanya fluks magnet yang menimbulkan gaya gerak Tahanan jangkar dan konstanta motor bernilai konstan tidak bisa dirubah. Merubah nilai Arus sukar dilakukan, dan yang paling mudah adalah dengan mengatur besar tegangan (V) dapat kita lihat pada persamaan (2.2). Pengujian tegangan motor saat kecepatan 180 RPM Jarak antar xbee ialah 1 meter delay time didapatkan pada kecepatan 180 RPM = 1,79 detik, satu menit kemudian kecepatan menjadi 300 RPM = 1,81 detik dan satu menit kemudiannya lagi kecepatan menjadi 390 RPM= 1,05 detik, karna jarak antar xbee sama maka delay time tidak terlalu berubah dapat kita lihat pada diagram diatas perbedaan delaytime hanya permilisekon sehingga hal ini dapat diaabaikan, ini dikarenakan mungkin ketidak telitian penulis dalam mematikan timer pada stopwatch. Pengujian tegangan motor saat kecepatan 300 RPM Pengujian tegangan motor saat kecepatan 390 RPM 5.KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 KESIMPULAN a. Delay time pengiriman data yang didapatkan saat pengujian xbee naik

11 10 secara linear dimana semakin jauh jarak anatar xbee maka akan semakin besar pula delay time. b. Monitoring kecepatan dan arus motor dapat diamati langsung dari laptop dengan bantuan pengiriman data nirkabel oleh xbee dengan program XCTU c. Koneksi antar xbee pada saat kondisi ruangan berpenghalang (indoor) hanya memiliki jangkauan 30 meter saja sedangkan pada saat kondisi ruangan tidak berpenghalang (outdoor) sampai 80 meter. d. Jangkauan range xbee pada saat outdoor mengalami pengurangan 10 meter karna xbee sudah berada di dalam casing / box modul. e. Kecepatan motor diatur berdasarkan prinsip PWM (Pulse wide modulation) dengan 3 tingkatan kecepatan yaitu: o 30 ~ = 180 RPM o 70 ~ = 300 RPM o 110~= 390 RPM banyaknya alat / gadget yang berbasis android pada saat ini c. Monitoring sebaiknya digunakan pada jaringan WEB, sehingga semua data kecepatan dapat terorganisir dan database nya dapat tersimpan di web server. d. Sebaiknya adanya penambahan pada perangkat lunak untuk interface monitoring oleh operator seperti DELPHI atau Visual Basic sehingga monitoring dapat dilakukan lebih mudah DAFTAR PUSTAKA Kadir,Abdul, 2013 Panduan Praktis Mempelajari Aplikasi Mikrokontoler dan Pemrogramannya Menggunakan Arduino Jakarta: Andi Publisher Faludi, R Building Wireless Sensor Networks. America: O'Reilly. 5.2 SARAN a. Sebaiknya objek yang digunakan ialah motor induksi sehingga terdapat perhitungan yang lebih complex dalam perancangan dan analisa alat b. Alat sebaiknya dikembangkan dengan media interface android karena Malvino Barmawi, Prinsip-Prinsip Elektronika, Edisi ketiga Jilid 1. Jakarta : Penerbit Erlangga. WEBSITES