TELEMETRI NIRKABEL DATA SUHU, KELEMBAPAN, DAN TEKANAN UDARA SECARA REALTIME BERBASIS MIKROKONTROLER ATMEGA328P Khafid Dwicahyo 1, Hariyanto 1, Bowo Prakoso 2. 1 Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Jakarta 2 Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Jakarta E-mail : hariyanto@stmkg.ac.id, cofecaffein@gmail.com ABSTRAK Penelitian ini menggunakan sistem telemetri nirkabel untuk mengukur suhu, kelembapan, dan tekanan udara yang dilengkapi perekam data, hasil pengukuran tersebut bisa ditampilkan melalui LCD. Sistem telemetri nirkabel terbagi dua bagian yaitu unit pengirim dan unit penerima. Unit pengirim terdiri dari sensor SHT11, sensor BMP280, mikrokontroler ATmega328P, RTC, SD Card, dan modul transmiter RF. Unit penerima terdiri dari receiver RF serta modul pengolah dan penyimpan data. Hasil penelitian menunjukkan alat ukur dapat bekerja dengan baik hingga jarak 200 m dengan waktu penerimaan data tercepat 2 detik pada pengujian full outdoor tanpa halangan. Pada pengujian semi outdoor dengan halangan dinding, diperoleh jarak maksimal 100 m dengan waktu tercepat penerimaan data 2 detik. Nilai korelasi suhu sebesar R 2 = 0,973, kelembapan sebesar R 2 = 0,875, dan tekanan udara sebesar R 2 = 0,924, hasil ini menunjukkan hubungan korelasi yang kuat antara alat standar dengan alat rancangan dengan garis lurus yang linier. Kata Kunci : Telemetri, Suhu, Kelembapan, Tekanan Udara, Frekuensi Radio. ABSTRACT This research uses a wireless telemetry system to measure temperature, humidity, and air pressure, equipped with data recorder, the measurement results can be displayed on LCD screen. Wireless telemetry system divided into two parts: transmitter and receiver. Transmitter unit consists of sensor SHT11, sensor BMP280, ATmega328P microcontroller, RTC, SD Card and RF transmitter module. The receiver unit consists of RF receiver and data processor by the acquisition section which is complemented with data recorder database. The result of the research shows that measuring devices performed well in full outdoor testing without hindrance on maximum distance of 200 m, with the fastest time is 2 seconds of receiving data. In semioutdoor testing with walls hitch, known the maximum distance is 100 m, with the fastest time for receiving data at 2 seconds. Temperature correlation value of R 2 = 0.973, humidity of R 2 = 0.875, and the air pressure of R 2 = 0.924, it shows strong correlation between the standard tool to tool design with straight lines are linear. Keywords: Telemetry, Temperature, Humidity, Air Pressure, Radio Frequency. 44
1. PENDAHULUAN Informasi yang cepat dan akurat sangat diperlukan dalam rangka menunjang kinerja di berbagai bidang, salah satunya pengamatan meteorologi yang dilakukan oleh Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG). BMKG memanfaatkan sensor cuaca untuk mengukur unsur-unsur cuaca, diantara unsur-unsur cuaca tersebut adalah suhu udara, kelembapan udara, dan tekanan udara. Data kelembapan dan suhu udara dapat mempengaruhi ketebalan hujan suatu wilayah (Marni, 2016). Gerhana matahari total (GMT) berpengaruh besar terhadap cuaca di Pantai Terentang, Bangka Tengah (Ardi, 2016), perubahan ini lebih jelas terlihat setelah dilakukan proses transformasi Fourier pada seluruh data yang menunjukkan perubahan drastis pada periode periodogram parameter cuaca suhu dan tekanan udara yang menunjukkan perubahan sebesar 1,25%. Data suhu, kelembapan, dan tekanan udara digunakan (Annisa, 2017) untuk mengukur deformasi yang terjadi pada Gunung Merapi menggunakan metode EDM (Electronic Distance Measurement), yaitu sebagai prekursor menjelang erupsi. Data digunakan untuk koreksi atmosferik (cuaca) pada pengukuran EDM agar analisis menjadi lebih akurat. Namun demikian, kendala yang sering muncul menurut (Sukiswo,2015) adalah bagaimana mengukur unsur-unsur cuaca tersebut dari lokasi yang terpencil. Hal ini mengakibatkan jarak dan keadaan geografis menjadi masalah serius. Untuk itu, metode pengukuran yang andal diperlukan agar didapatkan data yang akurat dan cepat, sehingga metode pengukuran dengan telemetri dapat diandalkan sebagai solusi. Penelitian (Harisuryo, 2015) mengunakan modul RF 433 MHz untuk telemetri menggunakan antena kabel 17 cm sebagai pengirim dan penerima data menghasilkan jarak transmisi maksimal sejauh 96 meter pada ruang terbuka dan jarak transmisi maksimal dalam ruangan yaitu 10 meter melalui dua buah tembok setebal ±14cm. 1.1 Telemetri Pengukuran variabel data dengan jarak tertentu yang dikirim melalui media kabel maupun tanpa kabel disebut sebagai sistem telemetri (Harisuryo, 2015). Sistem telemetri secara garis besar (Gambar 1) terdiri atas enam bagian pendukung yaitu objek ukur, sensor, pemancar, saluran transmisi, penerima dan tampilan/display. Gambar 1. Sistem Telemetri 1.2 Sensor SHT11 SHT11 module merupakan modul sensor suhu dan kelembapan relatif. Modul ini dapat digunakan sebagai alat pengindra suhu dan kelembapan untuk aplikasi pengendali suhu dan kelembapan ruangan maupun aplikasi pemantau suhu dan kelembapan relatif ruangan. Gambar 2. Diagram Blok SHT11 2. PERANCANGAN ALAT DAN METODE Perancangan sistem telemetri nirkabel untuk pengukuran suhu, kelembapan, dan tekanan udara terdiri atas perangkat keras dan perangkat lunak seperti ditunjukkan Gambar 4. Perancangan perangkat keras terdiri atas unit pengirim (Tx) dan unit penerima (Rx). Unit pengirim terdiri dari board Arduino Uno R3 dan mikrokontroller ATMega328P, modul 3DR Telemetry 915MHz (Tx), sensor suhu dan kelembapan (SHT 11), sensor tekanan udara (BMP280), LCD 16x2, RTC, datalogger dan adaptor 9V 1A. Unit penerima terdiri dari modul 3DR Telemetry 915MHz (Rx) dan PC Akuisisi. Masukan sistem adalah perubahan nilai dari parameter suhu, kelembapan, dan tekanan udara, sedangkan keluaran berupa nilai perubahan ketiganya dalam tampilan LCD, datalogger dengan SD Card sebagai media penyimpanan hasil pengukuran backup yang disimpan dalam bentuk.txt dan.xls, terdapat RTC sebagai tanda waktu yang real time dan 45
sistem akuisisi untuk pengolahan data pengamatan. Gambar 4. Diagram Alir Perancangan Sistem 3. PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN 3.1 Pengujian Kalibrasi Sensor Suhu Hasil keluaran SHT11 akan divalidasi dengan cara kalibrasi sensor untuk mendapatkan kualitas data yang baik. Kalibrator yang digunakan yaitu Temperature Chamber untuk pengkondisi suhu. Nilai set point tertentu perlu ditentukan selama proses kalibrasi pada masing-masing parameter yang diukur, dimana pada set point tersebut akan dibandingkan hasil pembacaan data dari sistem yang sudah dirancang dengan alat standar Thermohygrometer Digital Vaisala tipe 3000.0022 yang nantinya akan digunakan untuk penentuan persamaan garis parameter antar set point dengan asumsi data hasil pembacaan sensor ialah linier. Pelaksanaan kalibrasi untuk validasi data suhu dan kelembapan relatif bertempat di Laboratorium Kalibrasi Meteorologi BMKG Pusat Kemayoran pada tanggal 28 Juni 2016 dan hasilnya seperti ditunjukkan dalam Gambar 5. Gambar 5 menunjukkan persamaan karakteristik antara pengukuran alat standar dengan sensor SHT11 yang digunakan. Didapatkan nilai korelasi linier sebesar R 2 = 0,973 menunjukkan koefisien korelasinya mempunyai hubungan yang kuat dan arah yang linier. Hasil kalibrasi menujukkan rata-rata koreksi sensor SHT11 untuk suhu sebesar 0,13 o C. Hasil ini cukup baik jika ditinjau dari peraturan World Meteorogical Organization (WMO) dan BMKG nilai koreksi suhu masih dalam toleransi yang ditetapkan sebesar 0,2 o C. 3.2 Uji Lapang Sensor Suhu Pengujian secara langsung dilakukan dengan membandingkan alat pengamatan observasi (T BK ) dengan alat rancangan pengamatan di Sangkar Taman Alat STMKG pada tanggal 23 Agustus 2016. Dilakukan selama 1 hari penuh mulai jam 00.00 sampai 23.00 dan hasilnya seperti ditunjukkan dalam Gambar 6. Gambar 6. Grafik Hasil Uji Lapang Suhu Gambar 6 menunjukkan bahwa grafik keluaran sensor suhu berhimpit dengan hasil pengukuran observasi dan sensor suhu mampu mengikuti terhadap setiap perubahan hasil observasi. 3.3 Pengujian Kalibrasi Sensor Kelembapan Hasil pengujian sensor kelembapan (Gambar 6) menunjukkan nilai korelasi sebesar R 2 = 0,875, yang menyatakan hubungan alat standar dan sensor SHT11 cukup kuat dan mempunyai arah yang linier. Gambar 5. Hasil Kalibrasi Sensor Suhu 46
pembanding adalah Paroscientific Model 745. Hasil dari kalibrasi ditunjukkan oleh Gambar 9. Gambar 7. Hasil Kalibrasi Sensor Kelembapan Keluaran sensor kelembapan menunjukkan rata-rata koreksi sebesar 2,45%. Hasil ini cukup baik jika ditinjau dari peraturan dikeluarkan oleh World Meteorogical Organization (WMO) dan BMKG untuk parameter kelembapan adalah sebesar ± 5 %. 3.4 Uji Lapang Sensor Kelembapan Uji lapang dilakukan di sangkar meteorologi STMKG pada tanggal 23 Agustus 2016 mulai pukul 00.00 sampai 23.00, hasilnya ditunjukkan oleh Gambar 8. Gambar 9. Hasil Kalibrasi Sensor Tekanan Udara Gambar 9 menunjukkan nilai koefisien korelasi sebesar R 2 = 0.962 yang menyatakan bahwa pengukuran antara sensor BMP280 dan Alat Standar memiliki hubungan korelasi yang kuat dan arah yang linier. 3.6 Uji Lapang Sensor Kelembapan Proses uji coba lapangan antara alat rancangan dengan alat standar Barothermohygrograp dilakukan dalam ruangan observasi pengamatan STMKG pada tanggal 24 Agustus 2016. Uji coba dimulai pukul 07.00-19.00 pembacaan nilai output alat dilakukan setiap 30 menit, hasilnya sperti pada Gambar 10. Gambar 8. Grafik Hasil Uji Lapang Kelembapan Gambar 8. menunjukkan bahwa grafik keluaran sensor suhu berhimpit dengan hasil pengukuran observasi alat rancangan dan alat observasi, selain itu menunjukkan pola perubahan yang sama antara keluran keduanya. 3.5 Pengujian Kalibrasi Sensor Tekanan Proses validasi dilakukan dengan mengalibrasi data yang dikeluarkan oleh sensor dengan keluaran sensor standar. Pelaksanaan kalibrasi untuk tekanan udara bertempat di Laboratorium Kalibrasi Meteorologi BMKG Pusat Kemayoran pada tanggal 28 Juni 2016. Proses validasi data tekanan menggunakan Pressure Chamber yang memompa dan mengisap udara untuk mengubah tekanan udara dalam chamber. Sensor tekanan yang digunakan sebagai standar Gambar 10. Grafik Hasil Uji Lapang Sensor Tekanan Udara Gambar 10 menunjukkan bahwa garis titik hijau yang mewakili alat observasi dan garis titik biru yang mewakili yang mewakili alat rancangan menunjukan pola tren yang tidak jauh berbeda antara pengamatan manual dengan pengamatan sistem yang telah dirancang. 3.7 Pengujian SD Card Hasil pembacaan sensor dan hasil pengolahan mikrokontroler akan disimpan pada modul SD Card. Memori yang digunakan yakni micro SD Card dengan adapter dengan kapasitas penyimpanan 4 GB. Data penyimpanan tersebut 47
disimpan dengan nama Datalog.txt dan format text document. Untuk menjaga keutuhan data pada sistem backup SD Card maka diperlukan pengujian untuk mengetahui kapan kita harus memindahkan data ke database yang sudah di sediakan seperti penyimpanan internal komputer. Pengujian dilakukan selama 24 jam dan memperoleh memori data yang sudah dipergunakan sebesar 750 Kb. Perhitungan memory : (1) = (2) Keterangan : = kapasitas memori 4 Gb S = estimasi penyimpanan data per hari t = rentang waktu penyimpanan data = = = 5333 hari 14,6 tahun 3.8 Pengujian Transceiver RF Modul Transceiver RF yang digunakan 3DR Telemetry 915MHz merupakan perangkat yang terdiri dari sepasang radio telemetri dengan komunikasi serial berupa (TX, RX) dengan salah satu modul untuk digunakan pada perangkat komputer (Ground Module) dan modul lainnya untuk digunakan pada perangkat processor lainnya. Proses pengujian modul Transceiver RF untuk mengetahui apakah modul Transceiver RF mampu berkomunikasi dengan baik atau tidak. Proses pengujian dilakukan dengan cara mengunggah script program ke dalam mikrokontroler untuk mengirim data dari mikrokontroler yang dihubungkan dengan Transmitter menuju Receiver yang terkoneksikan dengan komputer. Proses pengecekan menggunakan Terminal.exe, apakah data yang dikirim dari mikrokontroler sudah masuk ke dalam komputer atau tidak, setting COM port yang akan digunakan pada komputer serta baudrate pada komputer dan mikrokontroler harus sama. Gambar 11. Hasil Pengujian Transceiver RF 3.9 Pengujian Komunikasi Sistem Pengujian komunikasi pada sistem ini bertujuan untuk mendapatkan hasil kerja sistem serta komunikasi nirkabel secara jarak jauh. Pengujian dilakukan dengan cara melihat pembacaan sensor dengan masing-masing output. Proses pembacaan dan pengukuran jarak jauh dengan menggunakan komunikasi nirkabel RF (Radio Frequency). Proses pengujian berlokasi di sepanjang jalan Camar Pinguin Bintaro Sector 3. Pengujian dilakukan secara full outdoor dan tanpa obstacle sedangkan pengujian semi indoor dan terdapat obstacle dilakukan di kampus Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika yakni Ruang Radar tempat Observasi dengan bagian telemetri berada di dalam sangkar meteo taman alat. Gambar 412 merupakan gambar lokasi pengujian jarak komunikasi sistem yang diambil dari Google Earth. Gambar 12. Lokasi Pengujian Komunikasi Full Outdoor Hasil pengujian jarak komunikasi antar kedua perangkat, diperoleh jarak terjauh secara line of sight pada ruang terbuka (full outdoor) yakni kurang lebih 200 meter, dari hasil pengujian komunikasi diperoleh hasil yang dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Hasil Pengujian Jarak Komunikasi Full Outdoor 48
Jarak Waktu (m) (detik) t Presentase (%) β Hasil Pengujian Komunikasi 20 2 100 Bagus 40 2 98 Bagus 60 4 97 Bagus 80 4 94 Bagus 100 5 95 Bagus 120 6 90 Bagus 140 7 85 Bagus 160 8 80 Bagus 180 8 75 Bagus 200 9 60 Bagus 220 12 45 Buruk * ) t < 5 β > 90 kategori Bagus * ) t > 10 β < 50 kategori Buruk Hasil pengujian prosentase (β) didapat melalui pengirim sampel data sebanyak 100x dan menghitung jumlah penerimaan data. Prosentase( (4) Hasil pengujian jarak komunikasi didapatkan bahwa komunikasi pada jarak 0 sampai 200 masih berjalan dengan bagus, sedangkan pada jarak 220 lebih komunikasi tidak berjalan dengan baik. Pengujian berdasarkan waktu didapat dengan melihat kecepatan pengiriman data, sample data dikirim sebanyak 100x kemudian akan dicatat lamanya waktu pengiriman (t tx) dan waktu penerimaan data (t rx) dan dihitung selisih keduanya untuk mengetahui tingkat kehandalan sistem. t = t tx - t r (3) Keterangan: t = selisih waktu pengujian jarak (s) t tx = waktu pengiriman data (s) t rx = waktu penerimaan data (s) Gambar 12. Grafik Hasil Pengujian Komunikasi Berdasarkan Waktu Gambar 3.10. Lokasi Pengujian Komunikasi Semi Outdoor Pengujian Komunikasi semi outdoor dilakukan dengan meletakan alat rangcangan transmiter (Tx ) di Sangkar Alat STMKG dan melakukan pengambilan data didalam ruangan tertutup dengan obstacle. Terdapat 5 kali percobaan yang dilakukan. Tabel 2. Hasil Pengujian Jarak Komunikasi Semi Outdoor Lokasi Transmiter Lokasi Receiver Jarak Keterangan (m) Sangkar Alat Ruang Observasi Radar 19,25 Bagus Sangkar Alat Ruang 56,77 Bagus Pengamatan Sangkar Alat Jalan Perhubungan I 102,8 Bagus Sangkar Alat Jalan Pemancar I 149,2 Buruk Sangkar Alat Tempat Tinggal 213 Buruk Berdasarkan pengujian komunikasi semi outdoor menunjukkan bahwa pengiriman dengan jarak dibawah 100 meter masih cukup bagus meskipun terhalang obstacle seperti bangunan atau pohon lebih dari itu data tidak dapat terkirim dengan baik. Gambar 13. Grafik Hasil Pengujian Komunikasi Berdasarkan Persentase 49
4. KESIMPULAN DAN SARAN 4.1 Kesimpulan Kesimpulan yang diperoleh dari hasil penelitian yang telah dilakukan, sebagai berikut : 1. Rasio jarak optimum berkisar 100 meter dengan keberhasilan pengiriman komunikasi dari telemetri diatas 90% kurang dari itu tingkat kualiatas pengiriman terus menurun. 2. Berdasarkan estimasi perhitungan penggunaan SD Card setiap harinya sebesar 750 KB, maka dalam 4 tahun hanya memerlukan memory sebesar 1.08 GB 3. Hasil pengujian komunikasi serial telemetri terdapat jarak kritis dimana pada jarak tersebut baik waktu dan persentase mengalami perubahan yang drastis yaitu pada jarak 180 meter. 4. Jarak maksimal yang didapatkan sejauh 200 meter untuk full outdoor tanpa obstacle dan 100 meter semi outdoor dengan obstacle, melebihi penelitian sebelumnya yang berkisar 150 meter pada kondisi outdoor. 4.2 Saran Berdasarkan penelitian dan perancangan yang telah dilakukan, secara garis besar semuanya berjalan dengan baik terdapat sedikit kekurangan serta keterbatasan. Berikut beberapa saran dalam peningkatan kualitas yang diharapkan membantu kelak ke depannya, sebagai berikut : 1. Penambahan parameter cuaca dalam pengukuran, serta penggunaan sensor lain agar diperoleh beberapa parameter yang lebih lengkap. Agar memiliki kualiatas data yang lebih baik. 2. Agar jangkauan pancaran jauh sebaiknya menggunakan modul transceiver yang memiliki daya yang lebih besar. Penggunaan sistem komunikasi wireless dengan jenis dan tipe lainnya yang tidak mempunyai pengaruh terhadap perubahan cuaca. 3. Pembaharuan sistem database, agar dapat melakukan pengolahan dan pengiriman data secara otomatis pada server pusat. 4. Pengecekan perlu dilakukan setiap 6-12 bulan untuk pengamanan data backup. Sistem penyimpanan secara otomatis dibutuhkan untuk sistem backup data yang berasal dari bagian telemetri. DAFTAR PUSTAKA Annisa, N.N., 2017, Analisis Pengaruh Suhu, Tekanan, dan Kelembaban Udara pada Data Hasil Pengukuran EDM di Gunung Merapi, Skripsi, Universitas Gadjah Mada Ardi, N.D., Gandini, R.,, Asmoro, C.P., Agus Fany Chandra Wijaya, A.F.C., Tayubi, Y.R., dan Mujtahiddini, I., 2016, Analisis Spektral Suhu dan Tekanan Udara Selama Gerhana Matahari Total 2016 Di Bangka Tengah, Prosiding Seminar Nasional Sains dan Antariksa, LAPAN. Gunarsih, A.K., 1990, Klimatologi Pengaruh Iklim Terhadap Tanah dan Tanaman. Bumi Aksara, Jakarta Hendrit, G., 2011, Perancangan Sistem Monitoring Kelembapan dan Temperatur Menggunakan Komunikasi Zigbee 2,4 GHz, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro, Semarang. Hadi, I., 2015, Sistem Telemetri Suhu, Kelembapan Relatif dan Tekanan Udara Berbasis Mikrokontroller ATMega32 Dengan Komunikasi Radio Frequency, Skripsi, Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Tanggerang Selatan. Harisuryo, R., Sumardi, dan Setiyono, B., 2015, Sistem Pengukuran Data Suhu, Kelembaban, dan Tekanan Udara dengan Telemetri Berbasis Frekuensi Radio, Transient, Vol.4, NO. 3 Marni dan Jumarang, M.I., 2016, Analisis Hubungan Kelembaban Udara dan Suhu Udara Terhadap Parameter Tebal Hujan di Kota Pontianak, Jurnal Prisma Fisika, Vol. IV, No. 03. Muzakim, A., 2011, Telemetri dan Telekontrol Antar Mikrokontroller Menggunakan Xbee Pro Wireless. Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 02. 50
Soejitno, 1976, Dasar-Dasar Pengamatan Meteorologi Permukaan. Akademi Meteorologi dan Geofisika, Jakarta Sukiswo, 2005, Perancangan Telemetri Suhu dengan Modulasi Digital FSK-FM, Teknik Elektro, UNDIP. Wastharini, M.A., Arseno, D., dan Iswahyudi Hidayat, I., 2010, Perancangan dan Implementasi Sistem Telemetri Suhu Ruangan Berbasis Mikrokontroler. Institut Teknologi Telkom. Bandung. WMO No. 8, 2010, Guide to Meteorogical Instruments and Methods of Observation, World Meteorological Organization. Wahana Komputer, 2009, Aplikasi Cerdas Menggunakan Delphi, Penerbit Andi, Yogyakarta. Wuryatno, 2000, Agroklimatologi, USU Press, Medan. 51
52