Pengembangan Sistem Kontrol Otomatis Kran Solenoid Berbasis Radio Frequency Identification Pada Sistem Pelayanan Air Minum Desa

Transkripsi

1 Pengembangan Sistem Kontrol Otomatis Kran Solenoid Berbasis Radio Frequency Identification Pada Sistem Pelayanan Air Minum Desa I Gede Nurhayata 1, Nyoman Santiyadnya 2 1 Jurusan Teknik Elektronika FTK UNDIKSHA, 2 Jurusan Pendidikan Teknik Elektro FTK UNDIKSHA gede.nurhayata@undiksha.ac.id ABSTRACT The use of manual water tap on the drinking water service system of the village affects the incompatibility of voluntary fund revenues with the volume of water released. The purpose of this study is to develop a system of drinking water service village with automatic solenoid faucet based Radio Frequency Identication (RFID). This research develops open and close control on solenoid faucets automatically with RFID card as customer identity. To limit the taking of drinking water volume by customers then developed a prepaid service system with water pulse system. The results showed that the system was able to identify the customer number correctly at a maximum distance of 10 cm. The solenoid valve opens automatically if the customer number has been registered and the water pulse value is not empty. The system also successfully limits the volume of water out as per customer requirements. When the water pulse value has been exhausted, the system manages to close the faucet automatically. Keywords: rfid, solenoid, control ABSTRAK Penggunaan kran air manual pada sistem pelayanan air minum desa berdampak pada ketidaksesuaian pendapatan dana sukarela dengan volume air yang dikeluarkan. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengembangkan sistem pelayanan air minum desa dengan kran solenoid otomatis berbasis Radio Frequency Identication (RFID). Penelitian ini mengembangkan pengendalian buka dan tutup pada kran solenoid secara otomatis dengan kartu RFID sebagai identitas pelanggan. Untuk membatasi pengambilan volume air minum oleh pelanggan maka dikembangkan sistem layanan prabayar dengan sistem pulsa air. Hasil penelitian menunjukkan sistem mampu mengidentifikasi nomor pelanggan dengan tepat pada jarak maksimum 10 cm. Kran solenoid terbuka otomatis jika nomor pelanggan telah terdaftar dan nilai pulsa air tidak kosong. Sistem juga berhasil membatasi volume air yang keluar sesuai kebutuhan pelanggan. Ketika nilai pulsa air telah habis, sistem berhasil menutup kran secara otomatis. Kata kunci: rfid, solenoid, kontrol 1. Pendahuluan Kebutuhan masyarakat desa terhadap sumber air bersih dan layak minum umumnya masih bergantung pada Perusahaan Daerah Air Minum (PDAM) setempat karena wilayahnya tidak memiliki sumber mata air. Disamping itu, beberapa wilayah desa yang memiliki sumber mata air belum mampu untuk mengelolanya dengan baik sehingga masih bergantung pada PDAM. Desa Banyuning merupakan salah satu desa di Bali terletak di tengah kota Singaraja, kabupaten Buleleng memiliki sumber mata air bersih bernama mata air Candi Kuning yang sudah diuji oleh dinas kesehatan dan dinyatakan bersih serta siap diminum tanpa direbus. Oleh karena itu, untuk kebutuhan air minum warga desa Banyuning tidak lagi memasak air sehingga dapat menghemat pemakaian bahan bakar. Pengelolaan sumber mata air desa Banyuning dikelola oleh perangkat desa dengan mengalirkan air desa ke setiap rumah warga untuk memenuhi kebutuhan air sehari-hari sehingga tidak bergantung pada PDAM. Namun tidak semua warga mendapat layanan air bersih karena kondisi letak geografis yang tidak mendukung sehingga perangkat desa Banyuning menyediakan layanan umum pengambilan air minum pada beberapa lokasi di pinggir jalan desa melalui kran air manual. Setiap warga desa yang mengambil air melalui layanan umum ini diwajibkan membayar secara sukarela pada kotak amal yang telah disediakan. Selain warga desa, ternyata banyak warga dari luar desa berminat dan ikut mengambil air minum bersih dari layanan umum sehingga perangkat desa berharap kondisi ini dapat meningkatkan pendapatan desa dari dana sukarela untuk biaya pengelolaan air minum. SENARI

2 Pendapatan desa dari dana sukarela sebagai hasil pengelolaan layanan umum air minum desa ternyata nilainya tidak sesuai dengan jumlah volume air yang dikeluarkan. Berdasarkan data diperoleh nilai pendapatan rata-rata dari kotak amal sebesar 2 juta per bulan, yang semestinya sebesar 5 juta per bulan dari total volume air yang dikeluarkan. Oleh karena itu, pengelolaan layanan umum air minum desa ini sudah jelas mengalami kerugian cukup besar rata-rata 3 juta/bulan atau 36 juta per tahun. Beberapa penyebab rendahnya nilai pendapatan desa yakni kurangnya kesadaran warga desa dalam melaksanakan kewajibannya untuk membayar secara sukarela pada kotak amal yang sudah disediakan. Disamping itu, tidak adanya petugas yang mengawasi dan melayani warga desa dalam mengambil air minum melalui kran manual sehingga memungkinkan air minum desa diakses secara bebas oleh pihak yang tidak bertanggungjawab dalam volume besar secara gratis untuk keperluan bisnis. Berdasarkan permasalahan tersebut, maka dalam penelitian ini berupaya untuk memperbaiki sistem layanan umum air minum desa dengan kran solenoid yang dikontrol secara otomatis menggunakan kartu RFID (Radio Frequency IDentification) sebagai identitas pelanggan. Alasan menggunakan kartu RFID karena nomor identitas bersifat unik dan sangat rahasia sehingga tidak mudah diduplikasi oleh pihak lain yang tidak bertanggungjawab. Teknologi RFID sudah berhasil dikembangkan pada sistem identifikasi objek museum (Nurhayata I Gede, 2014). Dengan upaya ini, menjamin tidak sembarang warga desa dapat mengambil air minum dari layanan umum air bersih kecuali kartunya sudah terdaftar pada sistem. Teknologi ini memungkinkan untuk menerapkan sistem pembayaran air minum dengan sistem layanan prabayar seperti layaknya pada handphone ataupun kwh meter digital. Pengembangan sistem layanan air minum otomatis ini memerlukan sistem perangkat keras meliputi pembaca kartu RFID, sistem kontroler dengan mikrokontroler AT89S51, penggerak kran solenoid, dan sensor aliran serta display LCD sebagai informasi sisa pulsa air. Pengembangan penelitian ini diharapkan dapat menjadi salah satu solusi untuk meningkatkan sistem layanan umum air minum desa khususnya desa Banyuning sehingga dapat meningkatkan pendapatan dana pengelolaan dan pemeliharaan air minum desa. 2. Metode Penelitian ini merupakan riset terapan dengan mengembangkan suatu produk berupa prototipe sistem kontrol otomatis kran solenoid berbasis Radio Frequency Identification (RFID) untuk sistem pelayanan air minum desa. Adapun model prototipe dan diagram blok sistem yang dikembangkan diperlihatkan pada Gambar 1. (a) (b) Gambar 1. (a) Model prototipe, (b) Diagram blok sistem layanan air minum desa berbasis RFID. SENARI

3 Adapun cara kerja dari sistem tersebut di atas adalah ketika pelanggan mendekatkan kartunya pada RFID reader maka nomor identitas kartu pelanggan akan dibaca oleh RFID reader dan dikirim ke mikrokontroller. Kemudian mikrokontroler melakukan pengecekan nomor pelanggan. Jika nomor pelanggan terdaftar pada sistem, maka mikrokontroller melakukan pengecekan berikutnya terhadap nilai sisa pulsa air pelanggan yakni apakah pulsa airnya telah habis atau masih ada. Apabila salah satu dari proses pengecekan tersebut tidak terpenuhi, maka kran solenoid tidak akan terbuka. Ketika kran solenoid berhasil dibuka, maka mikrokontroler melakukan pembacaan terhadap jumlah volume air yang keluar sambil melakukan estimasi terhadap sisa pulsa pelanggan. Apabila sisa pulsa pelanggan habis maka kran solenoid akan menutup kembali secara otomatis. Selama sisa pulsa air belum habis, kran solenoid dapat ditutup pada setiap saat dengan mendekatkan kembali kartu pelanggan sehingga dengan upaya ini, pelanggan memiliki kontrol penuh dalam mengambil air. Setelah kran solenoid tertutup maka prosesnya akan berulang kembali ke awal. Radio Frequency Identification (RFID) merupakan metode identifikasi objek melalui perantara gelombang frekuensi radio (Bob Violino, 2005). Pada Gambar 2 memperlihatkan bentuk fisik dan tata letak dari masing-masing pin pada RFID Reader ID-12 (Sparkfun, 2013). RFID Reader selain mempunyai penerima internal gelombang RF yang berfungsi menangkap gelombang elektromagnetik, juga mempunyai fungsi khusus untuk menangkap data-data analog dari gelombang RF yang dipancarkan oleh RFID Tag Card dan mengubahnya menjadi data-data digital. Gambar 2. Bentuk fisik RFID Reader ID-12 Pada Gambar 3 memperlihatkan sebuah Tag Card ID EM 4001 sebagai pemancar gelombang radio (RF). Tag Card akan mengenali diri sendiri ketika mendeteksi sinyal dari RFID Reader. Gambar 3. Bentuk fisik Tag Card ID EM 4001 dan prinsip kerjanya Mikrokontroller merupakan sistem mikroprosseor lengkap yang terkandung di dalam sebuah chip yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus secara khusus (Rachmad Setiawan, 2006). Mikrokontroller yang digunakan dalam penelitian ini yakni mikrokontroller AT89S51 memiliki kemasan 40 pin seperti pada Gambar 4. SENARI

4 Gambar 4. Kemasan mikrokontroller AT89S51 Kran air merupakan suatu pintu untuk mengatur besarnya debit aliran air yang keluar. Pada umumnya kran air dikendalikan secara manual dengan tangan. Kelemahan kran ini adalah cepat rusak akibat faktor mekanis. Disamping itu, kran ini tidak dapat dikendalikan secara elektrik untuk proses kontrol otomatis. Oleh karena itu, kran air manual dalam sistem pelayanan air minum desa agar dapat memberikan pelayanan secara otomatis kepada pelanggan perlu diganti menggunakan kran solenoid seperti pada Gambar 5. (Prasimax Mikron, 2016). Kran solenoid ini bekerja dengan mengalirkan arus listrik pada kabel yang tersedia sehingga katup kran terbuka dan sebaliknya ketika arus listrik diputus maka kran menutup kembali. Gambar 5. Kran air solenoid Gambar 6. Sensor aliran air Dalam proses mengukur volume air minum yang mengalir melalui kran solenoid menggunakan sebuah sensor aliran seperti pada Gambar 6 (SeedStudioWork.com, 2010). Sensor ini pada dasarnya berfungsi mengukur kecepatan aliran air. Berdasarkan kecepatan aliran air maka besarnya jumlah volume air yang keluar dapat ditentukan. Contoh penerapan sensor aliran ini dapat dilihat pada Viskosimeter Digital (Kalam T T Siregar, 2013) Pengembangan sistem kontrol otomatis kran solenoid berbasis rfid memerlukan beberapa perangkat keras dan lunak. Pengembangan perangkat keras meliputi pengembangan rangkaian pembaca nomor kartu RFID tipe 125 khz, rangkaian driver kran solenoid untuk kendali buka dan tutup, serta rangkaian inverter untuk pengoperasian pompa air dari catu daya DC 12V. Gambar 7. Perangkat keras pembaca kartu RFID SENARI

5 Dalam proses mengenali nomor identitas kartu RFID dibutuhkan komponen RFID reader dan mikrokontroller yang sesuai. Rangkaian pembaca kartu RFID berfungsi untuk mengidentifikasi jenis kartu RFID. Beberapa jenis kartu RFID tersedia dipasaran memiliki frekuensi kerja yang berbeda. Pada penelitian ini dipilih jenis kartu RFID dengan frekuensi kerja 125 khz. Adapun hasil pengembangan rangkaian pembaca kartu RFID diperlihatkan seperti pada Gambar 7. Kran solenoid membutuhkan arus penggerak pada kumparannya dengan nilai arus cukup besar. Sedangkan nilai arus sinyal kendali dari keluaran mikrokontroler sangat rendah sehingga keluaran mikrokontroller tidak mampu menggerakkan katup solenoid secara langsung. Oleh karena itu, dibutuhkan rangkaian driver untuk menguatkan arus keluaran mikrokontroller. Adapun rangkaian driver kran solenoid diperlihatkan pada Gambar 8 di bawah ini. Gambar 8. Perangkat keras driver kran solenoid Gambar 9. Rangkaian inverter pompa air Dalam penelitian ini, simulator sebagai sumber mata air menggunakan air yang disirkulasikan dengan pompa aquarium. Pompa aquarium bekerja pada sumber tegangan bolak-balik 220 Vac. Sedangkan dalam prototipe ini menggunakan sumber tegangan searah 12 Vdc. Oleh karena itu, untuk menyesuaikan tegangan sumber dengan pompa aquarium dibutuhkan rangkaian inverter sehingga pompa air dapat bekerja normal. Adapun pengembangan rangkaian inverter untuk pompa air diperlihatkan pada Gambar 9. Setelah pengembangan rancangan bagian sistem perangkat keras selesai maka langkah selanjutnya adalah mengembangkan rancangan prototipe produk layanan air minum desa berbasis RFID seperti diperlihatkan pada Gambar 10. Gambar 10. Prototipe sistem layanan air minum desa berbasis rfid Seluruh sub sistem dari perangkat keras yang telah dirancang sepenuhnya dikendalikan oleh sebuah mikrokontroler berdasarkan instruksi yang terprogram. Langkah awal sebelum memprogram mikrokontroler adalah merancang algoritma program sesuai prinsip kerja sistem yang diinginkan. SENARI

6 Beberapa algoritma program perangkat lunak pada setiap sub sistem yang dikembangkan yakni pembacaan nomor kartu RFID Reader, pembacaan volume air yang keluar, pengendalian kran solenoid dan pembaharuan pulsa air. Pada Gambar 11 memperlihatkan pengembangan algoritma program utama dalam proses pembacaan nomor ID Card dari RFID Reader ID-12. Sedangkan algoritma pembacaan volume air digambarkan dengan diagram alir seperti tampak pada Gambar 12. Gambar 11. Algoritma pembaca kartu rfid Gambar 12. Algoritma pembaca volume air Pada gambar 13 memperlihatkan pengembangan algoritma dalam proses pengendalian kran air berbasis nomor identitas dan nilai pulsa air secara keseluruhan. Kemudian pengembangan algoritma berikutnya yakni estimasi nilai pulsa air berdasarkan jumlah volume air yang keluar seperti tampak pada Gambar 14. Gambar 13. Algoritma kendali kran air Gambar 14. Algoritma penghitung pulsa air SENARI

7 3. Hasil dan Pembahasan Dari hasil pengembangan perangkat keras dan lunak selama proses pelaksanaan penelitian diperoleh hasil penelitian berupa kinerja dari perangkat keras dan perangkat lunak meliputi : a) Kinerja pembacaan kartu RFID b) Kinerja pengukur volume air c) Kinerja driver kran solenoid d) Kinerja inverter pompa aquarium Hasil proses pembacaan kartu RFID dimana nomor kartu berhasil ditampilkan pada display LCD dalam jumlah 8 digit diperlihatkan pada gambar 15. Gambar 15. Prototipe pembaca kartu rfid Gambar 16. Kinerja inverter pompa air Dalam mensirkulasikan aliran air dari sebuah bak air, maka dibutuhkan sebuah pompa air dimana dalam penelitian ini menggunakan sebuah pompa air aquarium pada prototipe sistem layanan air minum. Pada gambar 16 memperlihatkan kinerja inverter untuk pompa aquarium dimana pompa mampu bekerja normal dengan pancaran air cukup keras. Pada gambar 17 menunjukkan hasil pengembangan perangkat keras untuk proses pengukuran volume air dengan menggunakan sensor aliran yang nilai volumenya ditampilkan pada display LCD. Perangkat mampu memantau jumlah air minum yang telah dikeluarkan untuk mengestimasi sisa pulsa air pelanggan, Gambar 17. Perangkat keras pembaca volume air Berdasarkan kinerja sub sistem kontrol otomatis kran solenoid berbasis rfid maka pada gambar 18 menunjukkan hasil pengujian sistem layanan air minum secara menyeluruh. Pada gambar 18(a) ketika catu daya dihidupkan, maka lampu hijau menyala menunjukkan kondisi siap menerima kartu rfid dari pelanggan. Jika nomor kartu pelanggan terdaftar dan nilai pulsa air belum habis, maka lampu merah akan menyala dan kemudian kran solenoid dibuka seperti tampak pada gambar 18(b). Selama kran terbuka, air mengalir keluar dan sistem menampilkan pembaharuan nilai sisa pulsa air sesuai volume yang dikeluarkan secara real time. Kran solenoid akan tertutup secara otomatis jika nilai pulsa air sudah habis seperti gambar 18(c). Sementara kran dapat ditutup secara manual oleh pelanggan dengan mendekatkan kembali kartu rfidnya. Dengan cara ini pelanggan dapat mengontrol penuh proses pengambilan air bersih. SENARI

8 (a) (b) (c) Gambar 18. Hasil kinerja sistem layanan air minum berbasis rfid. (a) sistem ready (b) pembacaan baca kartu RFID, (c) pengeluaran air minum 4. Simpulan Berdasarkan hasil dan pembahasan dapat disimpulkan bahwa sistem kontrol otomatis kran solenoid berbasis rfid berfungsi dengan baik sesuai hasil pengembangan. Sistem layanan air minum akan membuka kran solenoid secara otomatis hanya jika nomor pelanggan valid dan pulsa air belum habis. Sistem mampu mengestimasi pulsa air sesuai volume air yang keluar untuk menutup kran solenoid jika pulsa air habis.. Prototipe ini dapat digunakan sebagai sistem layanan air minum prabayar berbasis pulsa air sehingga dapat meningkatkan pendapatan pengelola air minum. DAFTAR PUSTAKA Bob Violino, The History of RFID Technology, Tersedia pada www. rfidjournal.com/articles/view?1338. Diakses pada tanggal 10 Oktober Kalam T T Siregar, 2013, Viskosimeter Digital Menggunakan Water Flow Sensor G1/2 Berbasis Mikrokontroller 8535, tersedia pada , diakses tanggal 10 Januari 2016 Nurhayata I Gede, Aplikasi Mikrokontroller AT89S51 sebagai Kendali MP3 Player Berbasis Radio Frequency Identificaion (RFID) pada Sistem Pelayanan Objek Museum Publikasi Penelitian pada SENARI ke 2. Prasimax Mikron, 2016, Valve Electronic 1/2 inch, Electronic-1/2-inch/Detailed-product-flyer.html, diakses tanggal 10 Januari 2016 Rachmad Setiawan, Mikrokontroller MCS-51, Penerbit Graha Ilmu, Yogyakarta. Sparkfun ID-Series Datasheet, Datasheet.pdf. Diakses pada tanggal 10 Oktober SeedStudioWork.com, 2010, Water Flow Sensor, flow sensor datasheet.pdf diakses tanggal 10 Januari 2016 SENARI