SISTEM PEMANTAU VOLUME AIR BERBASIS ULTRASONIK DENGAN APLIKASI GUI Johanson 1 ; Wahyu Eko Sudiyatmoko 2 ; Edric Sebastian 3 ; Jimmy Linggarjati 4 Jurusan Sistem Komputer, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Bina Nusantara, Jln. K.H. Syahdan No. 9, Kemanggisan, Palmerah, Jakarta Barat 11480 johanson21@gmail.com 1 wahyu15eko@yahoo.com 2 sebastian.edric@gmail.com 3 jimmyl@binus.edu 4 ABSTRACT This system is designed to monitor the volume of water inside the water storage. System is formed by 3 module, a sensor, a microcontroller, and a GUI application at PC. Ultrasonic Sensor is used as the lenght measurement, which is going to be placed at the top of the water storage. The result of the sensor will be process by the microcontroller. For the Operator his surveillance is being easier, with an GUI application at PC. The System result generally are bigger than the real value. The System also had been tested, and constantly consistent on giving the data value. Mathematicly, our system gives the accurate data to 98%, and consistency value to 78%. Keywords: Water Volume Monitoring, GUI Application, Ultrasonic Sensor, Microcontroller. ABSTRAK Sistem ini di disain untuk memantau nilai volume air pada sebuah tempat penampungan air. Sistem terdiri dari 3 modul, sensor, mikrokontroler, dan aplikasi GUI. Sensor ultrasonic digunakan sebagai pendeteksi jarak, yang akan dipasang pada bagian atas tanki. Hasil pembacaan sensor diolah langsung oleh modul mikrokontroler. Operator dimudahkan dalam pengawasannya, dengan dilengkapinya aplikasi GUI pada PC. Hasil sistem umumnya bernilai lebih besar dibandingkan dengan kondisi sebenarnya. Sistem telah diuji tetap konsisten dalam memberikan hasil data. Secara perhitungan, sistem memiliki nilai ketepatan rata-rata sebesar 98%, dan nilai konsistensi rata-rata sebesar 78%. Kata Kunci: Pemantau Volume Air, Aplikasi GUI, Sensor Ultrasonic, Mikrokontroler.
PENDAHULUAN Dewasa ini, ketersediaan air bersih di suatu gedung atau bangunan masih sulit untuk dipantau, karena cara-cara yang digunakan masih mengandalkan manusia. Hal tersebut mengakibatkan rawan terjadinya kesalahan, sehingga ketersediaan air di suatu gedung atau bangunan, baru dipantau saat air pada penampungan telah habis. Hal ini tidak baik karena ketersediaan air sangat vital dan harus mencukupi kebutuhan gedung tersebut terus-menerus. Selama ini, pemantauan volume penampungan air dilakukan secara visual. Seseorang hanya melihat isi penampungan air tersebut dari bagian atas saja, sehingga informasi yang didapat tidak akurat. Selain itu, wadah penampungan umumnya tidak tembus pandang. Sehingga sulit untuk dilakukan pemantauan volume tanki air. Penulis ingin membuat sebuah sistem yang dapat mengukur volume air pada sebuah tanki dengan menggunakan sensor ultrasonik. Selain itu, untuk mempermudah pengoperasian, penulis juga akan membuat sebuah aplikasi GUI yang dapat berjalan pada PC. Dengan demikian penulis berharap akan mempermudah proses pengawasan penampungan air. Sensor Ultrasonik Menurut situs http://www.engineersgarage.com, gelombang ultrasonik adalah gelombang dengan besar frekuensi diatas frekuensi gelombang suara yaitu lebih dari 20 KHz. Seperti telah disebutkan bahwa sensor ultrasonik terdiri dari rangkaian pemancar ultrasonik yang disebut transmitter dan rangkaian penerima ultrasonik yang disebut receiver. Sinyal ultrasonik yang dibangkitkan akan dipancarkan dari transmitter ultrasonik. Ketika sinyal mengenai benda penghalang, maka sinyal ini dipantulkan, dan diterima oleh reciever ultrasonik. Sinyal yang diterima oleh rangkaian reciever dikirimkan ke rangkaian mikrokontroler untuk selanjutnya diolah untuk menghitung jarak terhadap benda di depannya (bidang pantul). Prinsip kerja dari sensor ultrasonik dapat ditunjukkan dalam gambar 1. dibawah ini: Gambar 1. Prinsip Kerja Sensor Ultrasonik Prinsip kerja dari sensor ultrasonik adalah sebagai berikut : 1. Sinyal dipancarkan oleh pemancar ultrasonik. Sinyal tersebut berfrekuensi diatas 20kHz, biasanya yang digunakan untuk mengukur jarak benda adalah 40kHz. Sinyal tersebut di bangkitkan oleh rangkaian pemancar ultrasonik. 2. Sinyal yang dipancarkan tersebut kemudian akan merambat sebagai sinyal / gelombang dengan kecepatan bunyi yang berkisar 340 m/s. Sinyal tersebut kemudian akan dipantulkan oleh sebuah bidang dan akan diterima kembali oleh bagian penerima Ultrasonik.
3. Setelah sinyal tersebut sampai di penerima ultrasonik, kemudian sinyal tersebut akan diproses untuk menghitung jaraknya. Jarak dihitung berdasarkan rumus: S = 340.t/2 (Persamaan 1.) dimana S adalah jarak antara sensor ultrasonik dengan bidang pantul, dan t adalah selisih waktu antara pemancaran gelombang ultrasonik sampai diterima kembali oleh bagian penerima ultrasonik. Arduino Menurut situs www.arduino.cc, Arduino merupakan sebuah modul development board yang sifatnya open-source, fleksibel, dan mudah digunakan dalam hal perangkat keras dan perangkat lunak. Dari sisi perangkat keras, modul arduino ini berbasis prosessor Atmel AVR (ATmega8 atau ATmega168) dan memiliki pin yang dapat digunakan sebagai input atau output. Sedangkan dari sisi perangkat lunak, arduino menggunakan bahasa pemrograman umum dan tersedia pula boot-loader yang berjalan pada modulnya. Arduino dapat mendeteksi keadaan sekitar melalui sensor yang dapat kita tambahkan. Selanjutnya modul arduino sendiri pun dapat mengeluarkan output untuk mengatur hal-hal seperti mengatur lampu, motor, dan lain-lain. Bahasa pemrograman yang digunakan mendukung bahasa pemrograman JAVA, C/C++, bahkan AVR-C jika diinginkan. Dengan modul arduino ini, kita juga dapat berkomunikasi dengan program pada PC. Salah satu kelebihan Arduino adalah harga yang tidak terlalu mahal. Modul Arduino ratarata relatif lebih murah dibanding modul mikrokontroler lainnya. Bahkan modul termurah dari Arduino dapat mencapai harga dibawah $50. Selain masalah biaya, Arduino ini bersifat Cross- Platform. Arduino dapat berjalan diatas sistem operasi Windows, Macintosh OSX, dan Linux. Kebanyakan microkontroler lainnya hanya terbatas pada sistem operasi Windows. Pemrograman pada Arduino pun sangat jelas dan sederhana, bahkan bagi pengguna yang masih pemula sekalipun. Namun untuk pengguna yang telah mahir, pemrograman pun dapat dibuat hingga tingkat yang lebih tinggi. Qt Menurut http://qt.digia.com, Qt (dibaca /kjut/ "cute", atau juga Q-T cue-tee) adalah sebuah aplikasi framework cross-platform yang digunakan secara luas sebagai aplikasi yang menggunakan tampilan GUI (Graphic User Interface), adapun yang non-gui sebagai command line atau console dari sebuah server. Qt berbasis pada bahasa pemrograman C++. Qt dapat digunakan pada beberapa sistem operasi seperti, pada Telepon Genggam (Symbian, Android, BlackBerry), pada Komputer (Windows, Mac OSX, Linux) dan embedded platform (Embedded Linux). Qt dikembangkan oleh sebuah proyek open source (Qt Project), termasuk developerdeveloper seperti Nokia, Digia, dan lain-lain. Sebelum peluncuran Qt Project, Qt diproduksi oleh divisi Qt Development Frameworks milik Nokia, yang merupakan hasil akuisisi Nokia terhadap perusahaan Norwegia, Trolltech pada tahun 2008. Setelah itu, tepatnya pada tahun 2012, Digia mengakusisi penuh QT dari Nokia. Pada Qt terdapat 3 tools utama, yaitu: QtCreator: IDE yang digunakan untuk menulis program C++ pada Qt. Qmake: compiler yang digunakan untuk melakukan kompilasi.
QtDesigner: tools pada Qt yang digunakan untuk mendisain GUI aplikasi Qt. METODE Desain Sistem Sistem yang akan dibuat memiliki fungsi untuk menampilkan kondisi volume air pada tempat penampungan air secara real-time. Sistem ini menggunakan sensor ultrasonik pengukur jarak sebagai peninjau kondisi sisa air dalam penampungan. Sensor tersebut akan dipasang pada bagian atas tempat penampungan dan menghadap ke permukaan air. Pada waktu tertentu, sensor akan mengirimkan data hasil pembacaannya kepada arduino. Selanjutnya data akan diproses oleh arduino sehingga data volume air dapat diketahui. Hasil dari perhitungan tersebut akan ditampilkan pada layar LCD character display yang ditambahkan pada modul arduino. Selain itu, terdapat juga buzzer yang berfungsi sebagai sistem peringatan. Buzzer akan aktif bila volume air sudah berada di bawah 20% dari total kapasitas tanki. Data yang diterima arduino, akan diteruskan ke PC melalui koneksi serial asinkronus. Pada PC, data tersebut akan diproses sehingga dapat ditampilkan secara grafis pada sebuah aplikasi. Selain itu, aplikasi ini juga memiliki fungsi data-logger yang akan menyimpan status volume air pada saat ada perintah dari user. Berikut blok diagram sistem pemantau volume air, ditunjukan pada gambar 7. MaxBotix (MB7066) Gambar 2. Diagram Blok Sistem MaxBotix MB7066 XL adalah sensor ultrasonik yang memiliki ketahanan terhadap air. Hal tersebut dibuktikan dengan bentuk fisik sensor yang berbahan PVC dan standar proteksi IP67. Dengan demikian sensor tersebut sangat cocok dengan keperluan pada penelitian ini. Sensor ini menyediakan fitur pendeteksi jarak yang cukup jauh sepanjang 10 meter (m), dengan memanfaatkan singal ultrasonik. Catu daya yang diperlukan untuk pengoperasian sebesar 3.0 volt hinggga 5.5 volt. Sensor dapat mendeteksi objek sejauh 0-cm hingga 1068-cm, dan menghasilkan informasi jarak sonar dari 20-cm hingga 1068-cm dengan resolusi 1-cm.
Objek dengan jarak 0-cm hingga 20-cm akan dibaca sebagai 20-cm. Hasil output interface yang dihasilkan berupa pulse-width output, output tegangan analog, dan dapat juga berupa data serial. Ukuran dimesional sensor: Gambar 3. Bentuk dan Ukuran Sensor MB7066 Penelitian ini menggunakan output sensor berupa pulse width. Output ini berasal dari pin 2 pada sensor. Pada saat mulai pengukuran, sensor akan menembakan sinyal ultrasonik dan kondisi pin 2 adalah LOW. Pada saat sensor telah menerima sinyal pantul maka kondisi pin 2 adalah HIGH. Gambar 4. output pulse width pada sensor Untuk mendapatkan jarak objek, digunakan rumus berikut ini : Jarak = t / 58 (persamaan 3.1) Dimana : - t harus dalam mikro detik - Jarak yang didapat dalam cm Konstanta 58 pada persamaan 3.1. didapat dari : 340 = = = 29.41. (persamaan 3.2) Karena sinyal ultrasonik menempuh jarak 2 kali, maka
29 * 2 = 58. (persamaan 3.3) Arduino Uno R3 Untuk keperluan penelitan ini, dipiih Arduino dengan tipe Arduino Uno R3. Arduino tersebut memiliki fitur onboard serial-to-usb converter. Dengan demikian data serial bisa dikirim dan dibaca melalui port usb (tanpa melalui port RS232). Fitur tersebut sangat membantu penelitian ini, mengingat transmisi data yang digunakan pada penelitian ini adalah transmisi serial. Selanjutnya perangkat keras ini akan di masukan ke dalam casing agar lebih aman. Arduino Uno adalah modul mikrontroler yang menggunakan mikrokontroller dengan jenis ATmega328. Modul ini memiliki 14 pin I/O digital (dimana 6 diantaranya dapat digunakan sebagai output PWM), 6 input analog, pembuat sinyal clock sebesar 16 Mhz (XTAL), koneksi hub USB, jack power supply, dan tombol reset. Modul memuat segala hal yang dibutuhkan untuk mensupport mikrokontroller. Skematik Perangkat Keras Gambar 5. Gambaran Skematik Perangkat Keras
Perancangan Piranti Lunak Arduino Uno Pusat kendali dan kalkulasi sistem ini terletak pada modul arduino. Modul tersebut bertanggung jawab untuk: menyimpan spesifikasi tanki, membaca sensor, melakukan kalkulasi volume, menampilkan status pada LCD, mengirimkan data volume kepada aplikasi PC, dan mengendalikan sistem peringatan batas bawah. Beberapa proses tersebut dilakukan hanya sekali (prosedur setting awal) dan proses yang lain akan berjalan secara berulang-ulang (prosedur inti). Pada saat pertama kali sistem berjalan, Arduino akan mengirimkan data spesifikasi tanki kepada PC, melalui komunikasi serial asinkronus. Data tangki tersebut tersimpan di dalam EEPROM arduino. Selanjutnya arduino akan menunggu, apakah user ingin merubah spesifikasi tanki tersebut melalui aplikasi PC. Bila ya, maka arduino akan merima flag ubah dan prosedur setting awal tanki akan dijalankan. Bila user memilih tidak, maka arduino akan menerima flag lanjut dan prosedur inti akan berjalan. Prosedur setting awal terdiri dari proses dimana user harus memasukan data spesifikasi tanki yang baru. Data tersebut berupa tinggi tanki dan luas alas tanki. Kedua data tersebut dimasukan user melalui aplikasi PC dan dikirim kepada arduino melalui serial. Arduino hanya perlu membaca data tersebut melalui serial dan memasukannya kedalam sebuah variabel. Selanjutnya data tersebut akan disimpan kedalam EEPROM arduino. Setelah prosedur setting awal selesai, arduino akan menjalankan prosedur inti. Prosedur inti akan dijalankan berulang-ulang selama sistem masih berjalan. Prosedur ini dimulai dengan membaca hasil output sensor ultrasonik. Kemudian hasil tersebut di proses, dengan perhitungan, sehingga didapat data volume air saat itu. Data volume tersebut akan ditampilkan melalui LCD dan akan dikirim kepada aplikasi PC melalui serial asinkronus. Arduino akan membandingkan volume air saat ini dengan batas bawah (20% dari total kapasitas tangki). Bila ternyata volume air dibawah batas bawah, maka mekanisme peringatan akan dijalankan dan buzzer akan berbunyi. Bila volume air diatas batas bawah, maka sistem peringatan tidak dijalankan dan prosedur inti dijalankan kembali.
Gambar 6. Diagram Alir Cara Kerja pada Modul Arduino Uno Qt Aplikasi yang berjalan di PC ini dirancang untuk menyimpan konfigurasi tangki air yang telah dimasukkan user sebelumnya. Aplikasi ini, pada saat memulai akan menampilkan jendela yang menunjukan bentuk alas tangki, luas alas tangki, dan tinggi penampungan tangki. Pada jendela ini terdapat dua pilihan untuk user, yaitu untuk mengubah konfigurasi yang lama dan melanjutkan ke program utama. Jika user memilih opsi untuk mengubah konfigurasi tangki yang sudah tersimpan, maka akan muncul jendela yang meminta user untuk memasukkan bentuk penampungan baru, tinggi penampungan baru dan panjang sisi jika bentuk alas persegi, diameter jika bentuk alas lingkaran dan luas alas untuk bentuk alas lainnya. Pada program utama, data volume akan dikirimkan ke aplikasi melalui serial. Data serial yang diterima akan di tampilkan dengan interface GUI yang dibuat dengan Qt berupa progress bar dan graphic chart. Agar aplikasi stabil, maka proses penerimaan data dari sensor menggunakan thread. Hal ini dilakukan agar program utama dapat tetap berjalan meskipun data volume belum diterima.
Aplikasi ini juga dilengkapi dengan sistem data logging, dimana user dapat menyimpan data volume tangki ke dalam bentuk file DOC dengan menekan tombol log data pada GUI yang telah disediakan.
Diagram Alir Program Utama Gambar 7. Diagram Alir Program Utama pada Aplikasi Qt Aplikasi ini pada saat pertama kali dijalankan akan menjalankan serial dengan menggunakan fungsi m_serial.startserial(); yang berfungsi untuk menjalankan thread agar data dari arduino dapat diterima aplikasi melalui serial. Setelah proses ini dilakukan maka selanjutnya aplikasi ini adalah mengambil nilai TP dan LA yang dikirimkan oleh arduino, nilai TP dan LA disimpan di dalam EEPROM arduino. Setelah variabel TP dan LA terisi maka akan muncul jendela baru yang menampilkan TP dan LA yang ada di EEPROM arduino.
Pada jendela yang menampilkan TP dan LA, terdapat dua pilihan, yaitu Ubah dan Lanjut. Apabila user ingin mengubah kembali nilai TP dan LA, maka aplikasi ini akan mengirimkan flag ke arduino yang menandakan bahwa akan ada data yang ditulis ke EEPROM. Kemudian akan muncul jendela yang menanyaka user bentuk dari penampungan, tinggi tangki penampungan dan panjang sisi penampungan jika tempat penampungan berbentuk balok, panjang diameter jika tempat penampungan silinder, dan Luas alas jika tempat penampungan selain balok dan silinder. Apabila user memilih pilihan Lanjut, maka aplikasi ini akan menunggu data dari thread. Jika terdapat data baru dari thread, maka data akan ditampilkan di progress bar berupa persentase volume saat ini berbanding dengan volume tangki. Kemudian data juga ditampilkan dengan Text Edit dengan jeda waktu 5 detik dengan menggunakan QTimer, dengan format Tanggal, Jam dan Volume air saat ini. Pada GUI terdapat Tombol Log data yang berfungsi untuk menyimpan data yang ada di Text Edit ke dalam file dengan bentuk MS. Word dengan menggunakan QFile pada fungsi pushbutton_clicked();.jika tombol close pada aplikasi ini ditekan, maka thread akan berhenti karena StopSerial dipanggil,dan jendela akan tertutup. Diagram Alir Thread Gambar 8. Diagram Alir Thread pada Aplikasi Qt Thread disini berfungsi untuk menerima data dari sensor dan mengirimkannya ke main program. Saat Thread dimulai atau run, thread akan inisialisasi port manakah yang dipaki untuk kominikasi ini, Baud rate yang dipakai, penanta start frame dan stop frame berupa variable bertipe data char dan besar frame berupa integer. Setelah proses inisialisasi, yang selanjutnya dilakukan adalah membaca data dari sensor dan data tersebut dan akan dikirim ke program utama dengan OnSerialDataReceived melalui sinyal m_serial yang kita buat pada header program utama.
HASIL DAN PEMBAHASAN Implementasi Sistem Gambar 9. Topologi Sistem Pengujian Ketepatan Sistem Berbanding Kondisi Sebenarnya Tujuan pengujian ini adalah untuk mengetahui tingkat ketepatan sistem dalam mengukur volume air. Pada pengujian ini, volume air diubah-ubah sehingga didapat hasil data yang bervariasi. Gambar 10. Grafik Hasil Pengujian Ketepatan Sistem Menurut hasil pengujian, umumnya hasil sistem lebih besar dibandingkan dengan hasil pada kondisi sebenarnya. Rata-rata, hasil sistem lebih besar 6 Liter dibanding dengan kondisi sebenarnya. Setelah dilakukan perhitungan untuk pengujian Ketepatan Sistem Berbanding
Kondisi Sebenarnya, didapat bahwa sistem ini, rata-rata memiliki perbedaan 2.009 % dari kondisi sebenarnya. Pengujian Konsistensi Sistem Selama 24 Jam Tujuan pengujian ini adalah untuk mendapatkan nilai ketepatan sistem seiring dengan berjalannya waktu. Pada percobaan ini, kondisi volume air tidak berubah. Dengan demikian akan didapat tingkat konsistensi dari sistem. Gambar 11. Grafik Hasil Pengujian Konsistensi Sistem Menurut hasil percobaan ini, didapati bahwa hasil sistem cukup konsisten. Hal ini dapat kita lihat dari grafik diatas, dimana dari 9 kali percobaan, sistem hanya 3 kali menghasilkan data yg berbeda. Perbedaan antara hasil sistem dengan hasil real sebesar ± 6 Liter. Bila dilakukan perhitungan, hasil sistem memiliki perbedaan rata-rata sebesar 0.469 % daripada hasil real. Dengan demikian dapat dikatakan bahwa sistem ini cukup konsisten. SIMPULAN Kesimpulan Berdasarkan hasil evaluasi percobaan dengan sistem ini, dapat disimpulkan bahwa: Kondisi modul sensor dapat menahan kondisi lembab dan basah. Sistem ini memiliki nilai rata-rata ketepatan sebesar 98%. Sistem ini memiliki nilai rata-rata konsistensi sebesar 78%. Aplikasi pada PC dapat bekerja dengan baik.
Saran Adapun beberapa saran yang dapat digunakan untuk pengembangan sistem ini di masa mendatang: Pemilihan sensor ultrasonik yang memiliki resolusi lebih baik (<1cm). Sistem komunikasi antara panel box dengan PC, dapat digantikan dengan koneksi Wireless. Menambahkan sistem data forwarder baik melalui internet atau SMS. DAFTAR PUSTAKA Irrigation Training And Research Center, California Polytechinic State University. (1998). Water Level Sensor and Datalogger Testing and Demonstration. diakses 15 Juli 2012 dari http://www.itrc.org Jatmiko, S., Mutiara, A.B., Indriati, M. (2012). Prototype of Water Level Detection System With Wireless. Journal of Theoritical and Applied Information Technology. vol 37 no.1 diakses 24 Juli 2012 dari http://www.jatit.org Meribout, M., Habli, M., Al-Naamany, A. (2003). A New Ultrasonic-based device for Accurate Measurement of Oil, Emulsion, and Water Level in Oil Tanks. Diakses pada 5 Juli 2012 dari http://www.wseas.us Reza, S. M.K., Tariq, S.A.M., Reza,S.M.M. (2010). Microcontroller Based Automated Water Level Sensing and Controlling: Design and Implementation Issue. Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science. Vol 1., diakses 5 Juli 2012 dari http://www.iaeng.org Tittmann, B., Guers, M. (2007). Measuring Fluid Level Using Ultrasound. EMCH 523, diakses pada 5 Juli 2012 dari http://personal.psu.edu