Rancang Bangun Instrumen Pengukur Tinggi Gelombang Permukaan Laut Menggunakan Sensor Accelerometer
RANCANG BANGUN INSTRUMEN PENGUKUR TINGGI
GELOMBANG PERMUKAAN LAUT MENGGUNAKAN
SENSOR ACCELEROMETER
KHASANAH DWI ASTUTI
DEPARTEMEN ILMU DAN TEKNOLOGI KELAUTAN
FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Rancang Bangun
Instrumen Pengukur Tinggi Gelombang Permukaan Laut Menggunakan Sensor
Accelerometer adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing
dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun.
Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun
tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan
dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Februari 2014
Khasanah Dwi Astuti
NIM C54090067
ABSTRAK
KHASANAH DWI ASTUTI. Rancang Bangun Instrumen Pengukur Tinggi
Gelombang Permukaan Laut Menggunakan Sensor Accelerometer. Dibimbing
oleh INDRA JAYA.
Gelombang merupakan salah satu parameter penting dan memberikan
pengaruh terhadap dinamika yang terjadi di pantai sehingga perlu dilakukan
pemantauan gelombang yang dilakukan secara real-time. Tujuan dari penelitian
ini adalah merancang instrumen yang dapat digunakan untuk mengukur tinggi
gelombang pemukaan laut serta melihat uji kinerjanya di lapang. Instrumen
dirancang menggunakan accelerometer sebagai sensor yang diletakkan pada
sebuah pelampung untuk dapat mengikuti pergerakan partikel air di permukaan
laut. Sistem elektronika menggunakan mikrokontroler ATmega32 sebagai
pengendali utama kerja instrumen. Data dari sensor kemudian disimpan pada
MMC/SD card dan dilakukan analisis data lapang menggunakan perangkat lunak
MATLAB. Metode analisa data menggunakan zero crossing analysis untuk
mendapatkan karakteristik gelombangnya. Pengukuran dilakukan dengan sistem
penambatan pada satu titik tetap pada dasar perairan. Uji lapang dilakukan di
perairan Wakatobi, Sulawesi Tenggara pada Juli 2013 di kedalaman 8 meter. Dari
hasil analisis data pada lokasi pengamatan selama 22 jam perekaman
menunjukkan karakteristik gelombang, yaitu rata-rata tinggi gelombang ̅
sebesar 0.72 meter; tinggi gelombang signifikan (Hsig) 1.32 meter dan tinggi
gelombang maksimum (Hmax) 2.58 meter.
Kata kunci: accelerometer, instrumen, gelombang, wakatobi
ABSTRACT
KHASANAH DWI ASTUTI. Designing and Constructing Wave Buoy Instrument
Using Accelerometer Sensor. Supervised by INDRA JAYA.
Ocean wave is one of the important parameter that affected the dynamic of
the coastal. Ocean monitoring that provides real-time data is needed to help better
understand of the ocean. The objective of this study are designing and
constructing an instrument to measure the wave height. The instrument is
designed by using accelerometer sensor and its placed on a buoy to follow the
water particle movement on the sea surface. Electronics systems used ATmega32
microcontroller as the main control of this instruments. Data from the sensors
stored on the MMC/SD card. Data analysis used MATLAB software by using
zero crossing method to get the wave properties. The instruments measured at one
fixed point by mooring system. Instrument had undergone fields test in Wakatobi,
Southeast Sulawesi and moored at 8 meters depth. Data analysis in 22 hours
recording in location showed that the average wave height ̅ was 0.72 meters;
the significant wave height (Hsig) was 1.32 meters and the maximum wave height
(Hmax) was 2.58 meters.
Keywords: accelerometer, instrument, wave, wakatobi
RANCANG BANGUN INSTRUMEN PENGUKUR TINGGI
GELOMBANG PERMUKAAN LAUT MENGGUNAKAN
SENSOR ACCELEROMETER
KHASANAH DWI ASTUTI
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Ilmu Kelautan
pada
Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan
DEPARTEMEN ILMU DAN TEKNOLOGI KELAUTAN
FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2014
Judul Skripsi : Rancang Bangun Instrumen Pengukur Tinggi Gelombang
Permukaan Laut Menggunakan Sensor Accelerometer
Nama
: Khasanah Dwi Astuti
NIM
: C54090067
Disetujui oleh
Prof Dr Ir Indra Jaya, MSc
Pembimbing
Diketahui oleh
Dr Ir I Wayan Nurjaya, MSc
Ketua Departemen
Tanggal Lulus: 21 Februari 2014
Judul Skripsi: Rancang Bangun Instrumen Pengukur Tinggi Gelombang
Pennukaan Laut Menggunakan Sensor Accelerometer
: Khasanah Dwi Astuti
Nama
: C54090067
NIM
Disetujui oleh
Prof Dr Ir Indra Jaya, MSc
Pembimbing
Diketahui oleh
Dr Ir VWayan Nwjaya, MSc
Ketua Departemen
Tanggal Lulus: 21 Februari 2014
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala karena
atas segala karunia-Nya sehingga penulis mampu menyeleasaikan skripsi yang
berjudul “Rancang Bangun Instrumen Pengukur Tinggi Gelombang Permukaan
Laut Menggunakan Sensor Accelerometer” dengan baik. Terima kasih penulis
ucapkan kepada:
1. Bapak Prof. Dr. Indra Jaya selaku pembimbing skripsi atas masukan, saran,
dan arahan sehingga terselesaikan skripsi ini.
2. Bapak Dr. Ir. Agus Atmadipoera, DESS atas kesediaannya menjadi dosen
penguji dan Ibu Dr. Ir. Neviaty P. Zamani M.Sc sebagai gugus kendali mutu
yang telah membantu perbaikan penulisan skripsi.
3. Segenap staf pendidik dan civitas Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan,
FPIK -IPB atas ilmu, bimbingan dan bantuan selama menjalani kuliah.
4. Kedua orang tua, Saptoro dan Siti Rochimah Zulaicha serta adik dan kakak
terkasih atas segala do’a, semangat, cinta, kasih sayangnya.
5. M. Iqbal, M. Si atas semua ilmu, masukan, motivasi dan bimbingannya dalam
penyelesaian skripsi.
6. Seluruh warga Bengkel Akustik dan Instrumentasi Kelautan, teman-teman
tercinta Marine Instrumentation and Telemetry (MIT) Club, diklat MIT 01 dan
MIT 02 atas bantuan, pengalaman, kepercayaan, dan segala suka cita bersama.
7. Teman dan sahabat-sahabat Crazier ITK 46 atas motivasi, doa dan
kebersamaannya.
8. Pihak-pihak yang telah membantu terlaksananya Ekspedisi Arus Balik II, serta
pihak lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per-satu.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Februari 2014
Khasanah Dwi Astuti
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Tujuan Penelitian
1
METODE
2
Waktu dan Tempat Penelitian
2
Alat dan Bahan Penelitian
2
Prosedur Penelitian
3
HASIL DAN PEMBAHASAN
6
Hasil Rancang Bangun
6
Uji Coba Lapang
9
Analisa Data
SIMPULAN DAN SARAN
10
16
Simpulan
16
Saran
16
DAFTAR PUSTAKA
17
RIWAYAT HIDUP
18
DAFTAR TABEL
1 Alat yang digunakan dalam penelitian
2 Bahan yang digunakan dalam penelitian
2
3
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Peta lokasi pemasangan instrumen
Perancangan fungsional elektronik
Profil vertikal gelombang laut ideal
Zero crossing analysis
Desain umum instrumen
Sistem minimum mikrokontroler
Rangkaian sensor accelerometer
Rangkaian dasar Real Time Clock DS1307
Rangkaian dasar MMC card
Alur program utama
Pemasangan instrumen di lokasi penelitian
Posisi sensor pada pengukuran statis
Data mentah hasil pengukuran sensor accelerometer
Data yang terkontaminasi derau
Zero crossing analysis pada data perekaman
Plot tinggi gelombang rata-rata dan waktu perekaman
Plot tinggi gelombang signifikan, tinggi gelombang maksimum dan
masing masing periodenya pada waktu perekaman
Kecepatan angin dari pengolahan data angin
Data accelerometer setelah dilakukan filter
Scatter plot nilai x dan y
(a) Arah gelombang dari pengolahan data accelerometer dan (b) Arah
angin dari pengolahan data angin
Grafik tinggi pasang surut dan percepatan pada sumbu z
2
3
4
5
6
7
8
8
8
9
10
10
11
11
12
13
13
14
14
15
15
16
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Gelombang laut merupakan pergerakan air naik dan turun tegak lurus
dengan permukaan laut. Gelombang dapat dibedakan berdasarkan gaya
pembangkitnya. Angin merupakan pembangkit utama gelombang yang terjadi di
permukaan laut. Angin berhembus di atas permukaan laut dan mentransfer
energinya melalui partikel air sesuai dengan arah angin. Gelombang yang terjadi
di laut memiliki pergerakan yang acak dan kompleks, di mana tinggi dan periode
gelombang sulit dirumuskan secara akurat. Secara sederhana, gelombang
merupakan superposisi dari gelombang tunggal yang berbentuk sinusoidal. Tinggi
gelombang merupakan salah satu parameter penting untuk diketahui. Pemantauan
gelombang di laut perlu dilakukan karena memiliki pengaruh terhadap dinamika
yang terjadi di pantai. Data gelombang dapat membantu kegiatan perencanaan
bangunan pantai, pelabuhan, alur pelayaran dan lalu lintas kapal.
Teknologi yang telah berkembang untuk melakukan pemantauan tinggi
gelombang laut antara lain menggunakan satelit altimetri, wave gauge
menggunakan sensor tekanan, Syntetic Apperture Radar pada satelit dan sensor
accelerometer yang diletakkan pada sebuah buoy (Stewart 2008). Pemantauan
gelombang menggunakan pelampung gelombang (wave buoy) dengan
accelerometer sebagai sensor sudah lama dilakukan di dunia, salah satunya oleh
perusahaan Datawell. Waverider buoy merupakan salah satu wave buoy yang
diproduksi oleh perusahaan Datawell dengan pengukuran berbasis sensor
accelerometer dan compass magnetik untuk mendeteksi gerak gelombang di
permukaan perairan. Wave buoy ini telah dikembangkan sejak 40 tahun terakhir
dan saat ini menjadi desain standar wave buoy di dunia.
Accelerometer merupakan sensor yang dapat mengukur percepatan pada tiga
sumbu bumi (x,y,z). Accelerometer dapat mengukur percepatan positif maupun
negatif akibat pergerakan benda yang melekat padanya. Sensor ini diletakkan pada
sebuah pelampung yang dirancang untuk mengikuti pergerakan partikel air di
permukaan laut sehingga dapat dilakukan pengukuran tinggi gelombang.
Dalam penelitian ini, dirancang instrumen yang mampu melakukan
pengukuran tinggi gelombang permukaan laut. Pengambilan data dan uji coba
pengukuran di laut dilakukan di perairan Wakatobi, yaitu selat antara Pulau Hoga
dan Pulau Kaledupa pada kedalaman mooring 8 meter.
Tujuan Penelitian
1.
2.
3.
Tujuan dari penelitian ini, yaitu:
Menghasilkan instrumen yang dapat digunakan untuk mengukur tinggi
gelombang permukaan laut
Melihat uji kinerja instrumen pada perairan terbuka
Pengolahan dan analisis data sensor accelerometer untuk mendapatkan nilai
tinggi gelombang laut
2
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Rancang bangun instrumen dilakukan pada bulan Maret - Juni 2013.
Perancangan instrumen dan analisis data dilakukan di Laboratorium Instrumentasi
dan Telemetri Kelautan Bagian Akustik dan Instrumentasi Kelautan, Departemen
Ilmu dan Teknologi Kelautan, Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan, Institut
Pertanian Bogor. Uji kinerja instrumen dilakukan di Perairan Kepulauan
Wakatobi pada Juli 2013. Pengambilan data lapang dilakukan di perairan Pulau
Hoga, Kepulauan Wakatobi. Koordinat pemasangan yaitu pada 5.47˚ LS dan
123.75˚ LU. Posisi pemasangan instrumen dapat dilihat pada peta Gambar 1.
Gambar 1 Peta lokasi pemasangan instrumen
Alat dan Bahan Penelitian
Alat yang digunakan dalam penelitian dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Alat yang digunakan dalam penelitian
Alat
Solder
Tipe/Nilai
40 W
Gerinda
Multimeter Digital
Krisbow
HELES UX839TR
ISP Programer
ISP Programer
USB to serial
Laptop
Fungsi
Menyolder antar komponen
elektronik
Memotong komponen
Mengukur tegangan, hambatan,
dan koneksi komponen elektronik
Mengunduh program ke
mikrokontroler
Koneksi serial mikrokontroler
dan komputer
Pembuatan program
mikrokontroler dan analisais data
3
Bahan yang digunakan dalam penelitian dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2 Bahan yang digunakan dalam penelitian
Bahan
Buoy
Modul mikrokontroler
Sensor accelerometer
Modul RTC DS1307
Modul MMC
Micro SD card
Baterai
Kabel
Timah
Silika gel
Pipa paralon
Resin dan katalis
Tali tambang
Nilai/Tipe
Ø 0.9 m
ATmega32
MMA 7361
DT I/O I2C peripheral
FRAM V3.0
SanDisk 2 GB
5 V 10 AH
Jumlah
1 buah
1 buah
1 buah
1 buah
1 buah
1 buah
1 buah
1 meter
1 gulung
1 bungkus
1.5 meter
1 botol
20 meter
Ø 0.8 mm
Butiran
4 inch
Ø 1 cm
Prosedur Penelitian
Perancangan Instrumen
Perancangan wahana
Desain instrumen menggunakan model desain wave buoy yang telah
dikembangkan oleh perusahaan Datawell. Wahana terdiri atas pelampung (buoy)
untuk pemberi daya apung sekaligus peletakan komponen elektronika. Buoy ini
dirancang untuk dapat mengikuti gerakan partikel air pada permukaan laut
sehingga dapat dideteksi perpindahannya (perubahan posisi vertikal dan
horizontal). Pengukuran yang dilakukan menggunakan sistem penambatan pada
satu titik tetap (mooring system) sehingga perlu dipilih sistem penambatan yang
sesuai untuk instalasi di lapang agar dapat menghasilkan data pengukuran yang
paling baik.
Perancangan sistem elektronik
Sistem elektronik menggunakan mikrokontroler ATmega32 sebagai
pengendali utama kerja instrumen, modul sensor accelerometer MMA 7361 yang
menghasilkan data percepatan sumbu, modul real time clock DS1307 sebagai
penanda waktu. Kemudian data yang diperoleh disimpan dalam MMC/ SD card
sebagai sistem penyimpanan data. Catu daya untuk semua komponen elektronik
tersebut menggunakan baterai 5 V 10 AH. Skematik fungsional komponen
elektronika dapat dilihat pada Gambar 2.
Catu Daya (Baterai)
Penyimpanan Data
(Micro SD Card)
Mikrokontroler (ATmega32)
Sensor Percepatan
(MMA 7361)
Penanda Waktu
(DS 1307)
Gambar 2 Perancangan fungsional elektronik
4
Perancangan perangkat lunak
Perancangan perangkat lunak difokuskan untuk melakukan pemrograman
mikrokontroler. Perangkat lunak yang digunakan yaitu BASCOM AVR yang
merupakan bahasa pemrograman basic. Perangkat lunak dirancang untuk
mengambil data dari sensor accelerometer dan penanda waktu kemudian disimpan
pada media penyimpanan.
Uji Lapang Instrumen
Uji lapang bertujuan untuk melihat kinerja instrumen di perairan terbuka.
Hal yang perlu diperhatikan dalam uji lapang diantaranya kestabilan wahana,
sistem penambatan, kinerja sistem elektronik dan sistem penyimpanan data.
Kestabilan dan sistem penambatan dilihat secara visual yaitu posisi wahana dan
sistem instalasi instrumen di lapang. Dilihat pula kinerja sistem elektronik untuk
dapat melakukan pengukuran serta keberhasilan untuk melakukan penyimpanan
data.
Analisis Data
Accelerometer MMA 7361
Accelerometer merupakan sensor yang mengukur percepatan pada tiga
sumbu bumi (x,y,z). Hasil data berupa tegangan analog yang merepresentasikan
percepatan benda. Nilai analog diubah menjadi nilai digital oleh fitur ADC
mikrokontroler. Untuk mendapatkan data percepatan, maka nilai digital yang
dihasilkan dikonversi menjadi voltase per-sensitivitas sensor menggunakan
persamaan 1.
g
Keterangan:
g
DN (Digital Number)
Vref
Sensitifitas
4
ref
sensitivitas
.
: percepatan
: nilai digital yang dihasilkan setelah konversi ADC
: tegangan referensi yang digunakan pada ADC
: nilai sensitifitas sensor yang dipilih
Perhitungan tinggi gelombang
Gelombang di laut merupakan suatu gerakan yang acak dan tidak linear.
Untuk menyederhanakan teori gelombang permukaan, diasumsikan bentuk
gelombang adalah gelombang ideal yang berbentuk sinusoidal. Asumsi ini
menyatakan perpindahan gelombang η sebagai gerakan harmonik sederhana
yaitu variasi putaran dalam level air yang disebabkan oleh lintasan gelombang.
(Stewart 2008).
Terdapat suatu hubungan matematis antar karakteristik gelombang. Tinggi
gelombang (H) adalah perubahan tinggi secara vertikal antara puncak gelombang
(crest) dan lembahnya (trough) (Gambar 3). Tinggi gelombang adalah dua kali
amplitudo gelombang (a). Panjang gelombang (L) adalah jarak antara dua
rangkaian puncak gelombang (atau melalui 2 puncak berturut-turut). Interval
waktu antara dua puncak yang berurutan yang melalui suatu titik tetap disebut
sebagai periode (T). Profil vertikal gelombang laut ideal yang memperlihatkan
dimensi linier dan bentuk sinusoidal ditunjukkan pada Gambar 3.
5
Gambar 3 Profil vertikal gelombang laut ideal
Data perekaman wave buoy yang digunakan untuk perhitungan tinggi
gelombang adalah data percepatan pada arah vertikal. Data percepatan dalam
satuan g merupakan satuan percepatan yang menunjukkan adanya pengaruh
gravitasi bumi yang bekerja pada setiap benda. Nilai yang didapatkan kemudian
dikalikan dengan percepatan gravitasi standar yang didefinisikan sebagai 9.81
m/s2. Percepatan benda (a) ini kemudian dikonversi menjadi jarak (displacement)
yang menunjukkan tinggi gelombang dalam satuan meter. Percepatan merupakan
perubahan kecepatan terhadap waktu. Sedangkan kecepatan merupakan
perpindahan posisi tiap satuan waktu. Maka dengan persamaan 2 dan 3 dapat
diketahui jarak atau perpindahan posisi buoy terhadap titik sebelumnya:
a
v
t
v
s
t
Keterangan:
a
: percepatan (m/s2)
v
: kecepatan (m/s)
t
: waktu (s)
s
: jarak (m)
Data jarak yang telah didapatkan kemudian dianalisis untuk mendapatkan
karakteristik gelombangnya. Metode yang biasa digunakan untuk melakukan
analisis gelombang laut pada domain waktu adalah zero crossing analysis, dimana
sebuah gelombang dibentuk dari puncak gelombang dan lembah gelombang
setelah melewati nilai 0. Nilai 0 merupakan Still Water Level (SWL) pada
permukaan perairan. SWL atau kondisi muka air tenang merupakan ketinggian
level air pada saat tidak terdapat gelombang. Metode zero crossing analysis yang
merepresentasikan karakteristik dari gelombang yang terjadi di laut ditunjukkan
pada Gambar 4.
sea surface displacement
zero crossing waves
time
wave height
crest wave
wave trace
wave period
Gambar 4 Zero crossing analysis
6
Deskripsi statistik perekaman data gelombang
Nilai dari pengukuran data gelombang tidak pernah berulang dan persis
sama terjadi. Tetapi jika diukur pada suatu titik tetap, distribusi statistik nilai
periode dan tinggi gelombang akan memiliki kesamaan dari perekaman satu dan
yang lainnya. Distribusi statistik adalah cara yang paling tepat digunakan untuk
mendeskripsikan pengukuran dari perekaman data gelombang. Karakteristik yang
sering digunakan (WMO 1998) sebagai berikut:
H (̅
: tinggi gelombang rata-rata
Hsig (H1/3) : ketinggian gelombang signifikan, yaitu rata-rata ketinggian dari 1/3
atau dengan proporsi 33% tinggi gelombang yang diurutkan menurut
ketinggiannya
Hmax
: ketinggian gelombang maksimum dari seluruh data perekaman
̅
T
: periode gelombang rata-rata
Tsig (T1/3) : periode gelombang signifikan, yaitu rata-rata periode gelombang yang
mendefinisikan Hsig
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Rancang Bangun
Desain umum instrumen
Desain umum instrumen terdiri dari desain wahana dan sistem penambatan
(mooring system). Wahana menggunakan buoy sebagai pelampung yang akan
mengikuti partikel air sekaligus peletakan komponen elektronika. Buoy memiliki
diameter 0.9 m, pada bagian bawah dipasang penyangga yang terbuat dari paralon
dengan diameter 10.16 m dan panjang 1.5 m. Penyangga ini dibuat untuk menjaga
kestabilan buoy agar dapat melayang dengan baik di permukaan.
r = 0.9 m
komponen
elektronika
buoy
penyangga
1.5 m
r = 4 inchi
9m
tali
jangkar
Gambar 5 Desain umum instrumen
7
Sistem penambatan menggunakan tiga buah jangkar yang dipasang di dasar
perairan. Tali tambang digunakan untuk mengikat wahana dengan jangkar.
Panjang total tali dari buoy ke jangkar adalah 9 meter dengan mempertimbangkan
pasang surut perairan di lokasi instalasi. Kedalaman perairan pada saat instalasi
adalah 8 meter. Desain umum instrumen dapat dilihat pada Gambar 5.
Sistem elektronika
Mikrokontroler yang digunakan adalah ATmega32 yang diproduksi oleh
Atmel dan memiliki sirkuit dasar yang telah ditetapkan. Mikrokontroler
beroperasi pada tegangan 4.5 V sampai 5.5 V. Semua pin dapat digunakan sebagai
I/O yang bekerja dua arah. Rangkaian minimum mikrokontroler memerlukan
beberapa komponen tambahan lain untuk dapat bekerja seperti clock external agar
dapat melakukan instruksi yang diperintahkan dengan lebih cepat. Kristal yang
digunakan yaitu 4MHz dengan kapasitor 22pF. Gambar 6 merupakan sistem
minimum mikrokontroler yang digunakan dalam rangkaian elektronik instrumen.
Gambar 6 Sistem minimum mikrokontroler
Sensor accelerometer yang digunakan adalah modul MMA7361 yang
diproduksi oleh LC Studio. Tegangan yang dibutuhkan sensor accelerometer
untuk beroperasi berkisar 2.2 V sampai 3.6 V dengan tegangan tipikal 3.3 V.
Modul ini telah dilengkapi dengan regulator 3.3 V untuk tegangan masuk sensor.
Keluaran sensor dihubungkan dengan 3 buah pin di PORT.A karena tegangan
keluarannya berupa besaran analog sehingga dibutuhkan ADC untuk merubahnya
menjadi nilai digital agar dapat berkomunikasi dengan mikrokontroler. Sensor
MMA7361 ini sendiri sudah dilengkapi dengan pengkondisi sinyal internal berupa
low pass filter orde 1 dengan frekuensi cutoff 1507 Hz (Freescale 2008). Terdapat
pin g-select (GS) pada modul ini yang digunakan untuk pemilihan tingkat
sensitifitas sensor dengan nilai g-Range yang berbeda. Terdapat 2 pilihan
sensitifitas, yaitu 206 mV/g dengan nilai g-Range 6 g dan 800 mV/g dengan nilai
g-Range 1.5 g. Sensitifitas yang digunakan pada penelitian ini yaitu 800 mV/g
dengan mempertimbangkan pergerakan percepatan gelombang. Untuk memilih
nilai g-Range 1.5 g maka diberikan logika low pada pin g-select. Gambar 7
menunjukkan rangkaian modul accelerometer MMA7361.
8
Gambar 7 Rangkaian sensor accelerometer
Komponen Real Time Clock (RTC) yang digunakan yaitu DS1307.
Komponen ini beroperasi pada tegangan 5 V dan dihubungkan dengan
mikrokontroler menggunakan komunikasi 2-wire dengan fitur I2C. Pin SCL
dihubungkan dengan PORTC.0 dan pin SDA dihubungkan dengan PORTC.1
mikrokontroler. Pada pin SDA dan SCL ini dibutuhkan resistor pull-up sebesar
4.7 KΩ. S
7 membutuhkan kristal eksternal standar 32768 KHz dengan
kapasitor 12.5 pF. Selain itu dibutuhkan juga sumber tegangan tambahan dari
baterai lithium cell 3 V untuk dapat tetap beroperasi saat tidak mendapatkan
tegangan masukan sehingga pengaturan waktu yang telah dilakukan tidak akan
hilang. Gambar 8 merupakan rangkaian dasar komponen RTC DS1307.
Gambar 8 Rangkaian dasar Real Time Clock DS1307
Sistem penyimpanan data menggunakan modul MMC FRAM V3.0 yang
diproduksi oleh Innovative Electronic. Tegangan yang dibutuhkan untuk dapat
beroperasi adalah 3.3 V dengan resistor pull-up 10 KΩ. Modul ini telah
dilengkapi dengan regulator 3.3 V untuk tegangan masukan ke MMC. MMC/SD
Card dihubungkan dengan mikrokontroler menggunakan antar muka Serial
Peripheral Interface (SPI). Jalur yang digunakan yaitu MISO, MOSI, SCK, dan
SS yang dihubungkan pada PORTB mikrokontroler. Gambar 9 merupakan
rangkaian dasar komponen MMC Card.
Gambar 9 Rangkaian dasar MMC card
9
Desain perangkat lunak
Desain perangkat lunak merupakan pembuatan program utama untuk
pemrograman mikrokontroler. Perangkat lunak yang digunakan adalah
BASCOM-AVR. Pada tahap awal, mikrokontroler melakukan inisialisasi
mikrokontroler, sensor accelerometer, DS1307 dan MMC card. Kemudian
mikrokontroler akan mendeteksi keadaan MMC card. Pada kondisi ini, program
akan terus berulang dan tidak dapat diteruskan apabila MMC card tidak terdeteksi.
Setelah itu dibuat sebuah file di dalam MMC card dengan nama file data.txt.
Mikrokontroler kemudian mengambil data analog dari sensor accelerometer dan
data waktu dari DS1307 yang selanjutnya akan disimpan pada satu baris dalam
file data.txt. Terdapat waktu tunggu 1 detik dan kemudian terus berulang untuk
pengambilan data sensor dan penyimpanannya dalam file data.txt. Alur program
utama mikrokontroler dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10 Alur program utama
Uji Lapang Instrumen
Uji lapang instrumen dilakukan di perairan Pulau Hoga dengan jarak
pemasangan instrumen ± 300 m dari pantai. Lokasi ini memiliki batimetri dengan
kemiringan curam. Instalasi sistem mooring dilakukan pada kedalaman 8 meter
menggunakan tiga buah jangkar. Buoy memiliki daya apung yang cukup besar
pada penempatannya di lapang. Terlihat hanya ± ¼ bagian yang melayang di
permukaan air dengan posisi buoy sedikit miring saat pemasangan. Hal ini
mengakibatkan pengaruh angin yang berhembus di permukaan menjadi cukup
berpengaruh terhadap pergerakan buoy. Pemasangan instrumen pada lokasi
pengamatan dapat dilihat pada Gambar 11.
Instrumen berhasil mengukur tinggi gelombang dan berhasil menyimpan
data tersebut pada media penyimpanan. Hasil uji lapang menunjukkan sistem
elektronik instrumen bekerja dan melakukan perekaman data selama 26 jam
10
dengan selang pencuplikan data setiap 1 detik. Tetapi terjadi kerusakan data pada
4 jam terakhir sehingga total data yang dapat dianalisis adalah 22 jam.
Gambar 11 Pemasangan instrumen di lokasi penelitian
Analisis Data
Data accelerometer
Nilai keluaran sensor ini berupa tegangan analog sehingga dibutuhkan
tegangan referensi untuk proses konversi nilai analog ke nilai digital. Tegangan
referensi untuk ADC yang diberikan adalah 3.3 V untuk memudahkan
perhitungan konversi. Pada pemilihan sensitivitas sensor, dipilih nilai g-Range 1.5
g yang memiliki sensitifitas 800 mV/g artinya tegangan berubah sebesar 800 mV
per-1 g perubahan gravitasi.
Sensor pada kondisi diam menghasilkan output tegangan yang nilainya
setengah dari tegangan masukan sensor (Vdd). Output tegangan pada percepatan
dd
positif akan meningkat di atas tegangan
dan pada percepatan negatif nilainya
dd
pada masing-masing sumbu. Nilai ini juga
akan menurun di bawah tegangan
dipengaruhi oleh orientasi sensor pada kondisi statis tehadap percepatan gravitasi
bumi. Gambar 12 menunjukkan posisi peletakan sensor accelerometer terhadap
arah gravitasi bumi. Pada posisi ini, nilai gravitasi yang terhitung pada sumbu x=
0 g; sumbu y=0 g dan sumbu z=1 g (Freescale 2008).
accelerometer pada posisi z tegak
lurus terhadap arah gravitasi
Gambar 12 Posisi sensor pada pengukuran statis
11
sumbu x (V)
4
sumbu y (V)
4
sumbu z (V)
Gambar 13 merupakan plot data hasil perekaman dari instrumen. Data ini
merupakan nilai voltase yang merepresentasikan percepatan yang dideteksi pada
masing-masing sumbu (x,y,z). Total waktu perekaman data yaitu 22 jam dengan
selang pencuplikan satu detik.
4
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
4
x 10
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
4
x 10
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
4
x 10
waktu (detik)
Gambar 13 Data mentah hasil pengukuran sensor accelerometer
Perhitungan tinggi gelombang
Untuk mendapatkan parameter tinggi gelombang, digunakan data hasil
perekaman pada sumbu z. Data mentah hasil perekaman tersebut kemudian diolah
sehingga didapatkan nilai percepatan pada arah vertikal. Sensor bergerak
mengikuti partikel gelombang sehingga akan didapatkan perpindahan positif
sensor, yaitu benda bergerak vertikal di atas titik 0 dan perpindahan negatif
artinya benda bergerak vertikal di bawak titik 0. Karena sumbu z mendeteksi
percepatan gravitasi sebesar 1g, maka percepatan pada sumbu ini kemudian
dikalikan dengan nilai percepatan gravitasi. kemudian nilai percepatan ini
dikonversi menjadi jarak dalam satuan meter.
Selanjutnya dihitung nilai SWL yang yang akan digunakan sebagai titik 0,
yaitu muka air tenang tanpa adanya gelombang. Setelah didapatkan nilai SWL,
dapat diketahui perpindahan posisi buoy di atas nilai 0 yang merupakan puncak
gelombang dan perpindahan posisi di bawah nilai 0 yang merupakan lembah
gelombang.
Data hasil perekaman masih terdapat beberapa derau (noise) yang
kemungkinan disebabkan oleh gangguan mekanik dari rangkaian elektronika.
Maka dilakukan filter data untuk menghilangkan derau tersebut. Gambar 14
merupakan contoh data yang terkontaminasi derau.
4
tinggi gelombang (m)
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
850
950
1,050
1,150
waktu (detik)
1,250
Gambar 14 Data yang terkontaminasi derau
1,350
12
Statistika data gelombang
Data perekaman selama 22 jam dipilah menjadi data per satu jam
perekaman. Gambar 15 (a) adalah perekaman data gelombang selama satu jam
dimulai pukul 14.00 WITA. Kotak merah pada grafik diperbesar dan
memperlihatkan perekaman data dalam waktu 60 detik (Gambar 15 (b)).
Lingkaran merah pada garis 0 menunjukkan up-crossing yaitu gelombang puncak
(crest wave) yang terbentuk di atas nilai 0. Kemudian garis berwarna merah
menunjukkan down-crossing yaitu lembah gelombang (wave trace) yang
terbentuk di bawah nilai 0. Setelah gelombang puncak melintasi titik nol dan
terjadi lembah gelombang yang melintasi titik 0 kembali, maka ini dihitung
sebagai sebuah gelombang yang memiliki tinggi tertentu dan periode tertentu.
Tinggi gelombang adalah jarak antara gelombang puncak tertinggi dan lembah
gelombang terendah dari titik 0. Periode gelombang adalah waktu yang
dibutuhkan untuk kembali melintasi nilai 0. Metode zero crossing analysis yang
digunakan pada perekaman data 60 detik menghasilkan informasi karakteristik
gelombang sebagai berikut:
3
tinggi gelombang (m)
2
1
0
-1
-2
-3
0
300
600
900
1200
1500 1800 2100
waktu (detik)
2400
2700
3000
3300
3600
55
60
(a)
1
H
Hsig
Hmax
T
Tsig
tinggi gelombang (m)
0.75
0.5
= 0.64 m
= 1.21 m
= 1.5 m
= 4.2 detik
= 5.2 detik
0.25
0
-0.25
-0.5
-0.75
-1
0
5
10
15
20
25
30
35
waktu (detik)
40
45
50
(b)
Gambar 15 Zero crossing analysis pada data perekaman
Data yang telah dipilah per-satu jam perekaman kemudian dianalisa
menggunakan metode zero crossing analysis untuk mendapatkan karakteristik
gelombangnya. Gambar 16 merupakan plot tinggi gelombang rata-rata ̅ serta
periode gelombang rata-rata ̅ yang didapatkan tiap jam perekaman. Fluktuasi
nilai tinggi gelombang rata-rata yang didapatkan yaitu berkisar 0.2 sampai 0.9
meter dengan periode gelombang rata-rata berkisar 3.6 sampai 4 detik.
13
tinggi gelombang
rata-rata (m)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
4
T (detik)
3.9
3.8
3.7
3.6
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00
00:00
waktu (jam)
02:00
04:00
06:00
08:00
Gambar 16 Plot tinggi gelombang rata-rata dan periodenya
pada waktu perekaman
Gambar 17 merupakan plot tinggi gelombang signifikan (Hsig) dan tinggi
gelombang maksimum (Hmax) dengan periode gelombangnya, Tsig mendefinisikan
periode pada tinggi gelombang signifikan dan Tmax mendefinisikan periode pada
tinggi gelombang maksimum. Tinggi gelombang signifikan adalah nilai yang
biasa digunakan untuk menghitung probabilitas tinggi gelombang dari distribusi
statistik data gelombang. Tinggi gelombang signifikan yang didapat dari
perhitungan ini yaitu berkisar antara 0.4 sampai 1.7 meter. Tinggi gelombang
signifikan tertinggi terjadi pada pukul 17.00 mencapai 1.72 meter dan terendah
pada pukul 02.00 dengan ketinggian gelombang 0.4 meter. Tinggi gelombang
maksimum (Hmax) adalah nilai tinggi gelombang tertinggi pada waktu perekaman.
Tinggi gelombang maksimum yaitu pada pukul 04.00 yang mencapai tinggi 2.58
meter.
tinggi gelombang
(m)
3
2.5
2
1.5
1
Hsig
Hmax
0.5
0
periode gelombang
(detik)
6
Tsig
Tmax
5.75
5.5
5.25
5
4.75
4.5
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00
00:00
02:00
04:00
06:00
08:00
waktu (jam)
Gambar 17 Plot tinggi gelombang signifikan, tinggi gelombang maksimum,
dan masing masing periodenya pada waktu perekaman
Gelombang yang terjadi sangat dipengaruhi oleh angin yang berhembus di
atas permukaan laut. Hasil pengolahan data angin dari anemometer didapatkan
kecepatan angin yang tinggi pada siang sampai dengan sore hari dan rendah pada
14
malam sampai dini hari (Gambar 18). Hal ini membuat gelombang yang terjadi
pada sore hari menjadi tinggi, sedangkan kondisi permukaan laut yang cukup
tenang pada malam sampai dini hari sesuai dengan hasil analisa data gelombang
yang didapatkan dari instrumen.
6
5.5
5
4.5
kecepatan angin
(m/s)
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
waktu (jam)
22:00
00:00
02:00
04:00
Gambar 18 Kecepatan angin dari pengolahan data angin
sumbu x
Data Pendukung dan Pengoreksi
Angin dan pasang surut
Kalibrasi dan filter data sensor dilakukan untuk melihat pola grafik yang
dihasilkan dari masing masing sumbu. Kalibrasi diperlukan untuk menghilangkan
percepatan gravitasi bumi yang dideteksi atau percepatan pada kondisi statis
sensor. Nilai tegangan untuk kalibrasi sensor pada masing-masing sumbu yaitu
sumbu x= 1.56 V; sumbu y= 1.97 V; dan sumbu z= 2.10 V. Kemudian dilakukan
filter digital menggunakan teknik penyaringan perata-rataan bergeser (moving
average). Gambar 19 merupakan plot data accelerometer setelah dilakukan
kalibrasi dan filter. Grafik data menunjukkan pola yang terbentuk pada masingmasing sumbu. Sumbu x dan sumbu y menunjukkan pola grafik yang berlawanan
arah.
1
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
sumbu y
4
x 10
0.6
0.5
0.4
0
1
2
3
4
5
6
7
8
sumbu z
4
x 10
0.8
0.6
0.4
0
1
2
3
4
waktu (detik)
5
6
Gambar 19 Data accelerometer setelah difilter
7
8
4
x 10
15
Arah gelombang merupakan penjalaran gelombang pada bidang horizontal.
Gelombang yang dibangkitkan oleh angin akan menjalar searah dengan arah angin
bertiup. Data dari accelerometer pada bidang horizontal, yaitu data pada sumbu x
dan sumbu y dapat diketahui penjalaran arah gelombang dengan menghitung nilai
resultan dari kedua sumbunya. Gambar 20 merupakan scatter plot dari sumbu x
dan sumbu y yang memperlihatkan pola penjalaran gelombang pada bidang
horizontal.
0.56
sumbu y (g)
0.54
0.52
0.5
0.48
0.46
0.4
0.5
0.6
0.7
sumbu x (g)
0.8
0.9
1
Gambar 20 Scatter plot nilai x dan y
Gambar 21 (a) merupakan arah penjalaran gelombang dan (b) arah angin
dari data anemometer yang ditunjukkan menggunakan diagram mawar. Gambar
21 menunjukkan arah gelombang bergerak 40˚ sampai dengan 50˚ ke arah barat
laut. Pengolahan rata-rata data angin harian yang dilakukan menunjukkan angin
bertiup dominan dari tenggara dan timur. Hal ini sesuai dengan perhitungan data
accelerometer yang menunjukkan penjalaran gelombang menuju ke arah barat
laut.
0
0
330
30
300
60
330
30
300
60
300
1500
200
1000
500
90
270 90
240
120
210
150
180
100
270
120
240
150
210
180
(a)
(b)
Gambar 21 (a) Arah gelombang dari pengolahan data accelerometer
dan (b) arah angin dari pengolahan data angin
Koreksi data juga dilakukan dengan melihat pasang surut yang terjadi di
lokasi pengamatan. Gambar 22 merupakan grafik pasang surut dan plot nilai
percepatan sumbu z yang telah difilter pada waktu lokal yang sama. Kedua grafik
menunjukkan kesamaan pola gelombang pasang surut semidiurnal.
16
tinggi pasut (cm)
300
250
200
150
100
percepatan (g)
0.15
0.1
0.05
0
-0.05
-0.1
12:00
18:00
00:00
waktu
06:00
Gambar 22 Grafik tinggi pasang surut dan percepatan pada sumbu z
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Dalam penelitian ini telah dilakukan rancang bangun instrumen pengukur
tinggi gelombang dengan menggunakan accelerometer sebagai sensor untuk
mendeteksi pergerakan partikel air yang diletakkan pada sebuah buoy dengan
pengukuran mooring system. Uji kinerja intrumen di lapangan cukup baik dan
mampu melakukan perekaman data gelombang. Hasil pengolahan data perekaman
selama 22 jam dengan metode zero crossing analysis dari uji lapang di titik
pengamatan yang dilakukan di perairan Wakatobi menunjukkan tinggi gelombang
rata-rata ̅ sebesar 0.72 meter; tinggi gelombang signifikan (Hsig) 1.32 meter
dan tinggi gelombang maksimum (Hmax) 2.58 meter.
Saran
Instrumen yang telah dikembangkan diharapkan masih terus
disempurnakan. Dibutuhkan perancangan desain buoy yang lebih baik agar
orientasi sensor tetap pada posisi horizontal dan tegak lurus terhadap arah
gravitasi. Penambahan komponen elektronika lainnya seperti compass untuk
validasi arah gelombang dan radio transmitter untuk melakukan transmisi data
real time. Analisa spektral dapat dilakukan untuk mengetahui nilai spektral dari
gelombangnya. Selain itu, diperlukan uji laboratorium sensor menggunakan
tabung selindris sehingga bisa dilakukan kalibrasi sensor secara maksimal.
17
DAFTAR PUSTAKA
Aziz F. M. 2006. Gerak Air di Laut. Jurnal Oseana XXXI(4): 9-21.
Freescale Semiconductor. 2008. ±1.5g, ±6g Three Axis Low-g Micromachined
Accelerometer, MMA 7361L.pdf [internet] [diunduh 2013 April 29]. Tersedia
pada: http://www.sparkfun.com.datasheet/components/general/mma7361L.pdf
Joosten H P. 2006. Wave Buoys and Their Elastic Mooring dalam Elastic
Mooring of Wave Navigation Buoys. International Ocean Systems, Datawell
Publication IOS :3-8
Kuperus J. 2009. Wave Monitoring Using Single Nodes.pdf [internet] [diunduh
2013 April 29]. Tersedia pada: http://essay.utwente.nl/59198/1/scriptie_J_
Kuperus.pdf
Laing A K. 1998. An Introduction to Ocean Wave dalam Guide to Wave Analysis
and Forecasting Ed 2. World Meteorological Organization, WMO-No.702:1-6
Pandian. 2010. An overview of recent technologies on wave and current
measurement in coastal and marine applications. Journal of Oceanography and
Marine Science 1(1): 1-10.
[MHL] Manly Hydraulics Laboratory. 2011. Wave Data Analysis and Statistics.
pdf [internet] [diunduh 2013 Desember 28]. Tersedia pada:
http://new.mhl.nsw.gov.au/data/realtime/wave/docs/Wave%20Data%20Analysi
s%20and%20Statistics.pdf
Seifert K, Camacho O. 2007. Implementing Positioning Algorithm Using
Accelerometer. Freescale Semiconductor Inc.
Stewart H. 2008. Introduction to Physical Oceanography. Departement of
Oceanography Texas A&M University.
Tuck K. 2007. Implementing Auto-Zero Calibration Technique for
Accelerometer.: Freescale Semiconductor Inc.
Wahyudi, Susanto A. 2009. Penentuan Faktor Kalibrasi Accelerometer MMA
7260Q pada Ketiga Sumbu. Jurnal Teknik Elektro 11(1): 16-22.
18
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Sukoharjo pada 5 November
1991 dari ayah bernama Saptoro dan ibu Siti Rochimah
Zulaicha yang merupakan anak kedua dari tiga
bersaudara. Penulis menyelesaikan pendidikan Sekolah
Menengah Pertama (SMA) Negeri 1 Ciputat pada tahun
2009, kemudian masuk ke Institut Pertanian Bogor (IPB)
melalui jalur Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi
(SNMPTN) dan diterima di Departemen Ilmu dan
Teknologi Kelautan, Fakultas Perikanan dan Ilmu
Kelautan pada tahun yang sama.
Selama masa studi, penulis pernah menjadi asisten Dasar-dasar
Instrumentasi Kelautan periode 2011/2012 dan 2012/2013, asisten Instrumentasi
Kelautan periode 2012/2013 dan 2013/2014. Penulis juga aktif dalam organisasi
Himpunan Mahasiswa Ilmu dan Teknologi Kelautan (HIMITEKA) periode
2011/2012 dan 2012/2013 sebagai staf kesekretariatan, Marine Instrumentation
and Telemetry (MIT) Club periode 2011-2012 sebagai staf divisi penelitian dan
pengembangan dan periode 2012-2013 sebagai staf divisi pendidikan dan latihan.
Selain itu penulis pernah menjadi peserta The Marine Advanced Technology
Education (MATE) Robot Challage di Hongkong pada tahun 2012 dan menjadi
pemakalah dalam Seminar Hasil Ekspedisi Arus Balik I tahun 2012 yang
diselenggarakan oleh MIT Club.
GELOMBANG PERMUKAAN LAUT MENGGUNAKAN
SENSOR ACCELEROMETER
KHASANAH DWI ASTUTI
DEPARTEMEN ILMU DAN TEKNOLOGI KELAUTAN
FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA*
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Rancang Bangun
Instrumen Pengukur Tinggi Gelombang Permukaan Laut Menggunakan Sensor
Accelerometer adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing
dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun.
Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun
tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan
dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Februari 2014
Khasanah Dwi Astuti
NIM C54090067
ABSTRAK
KHASANAH DWI ASTUTI. Rancang Bangun Instrumen Pengukur Tinggi
Gelombang Permukaan Laut Menggunakan Sensor Accelerometer. Dibimbing
oleh INDRA JAYA.
Gelombang merupakan salah satu parameter penting dan memberikan
pengaruh terhadap dinamika yang terjadi di pantai sehingga perlu dilakukan
pemantauan gelombang yang dilakukan secara real-time. Tujuan dari penelitian
ini adalah merancang instrumen yang dapat digunakan untuk mengukur tinggi
gelombang pemukaan laut serta melihat uji kinerjanya di lapang. Instrumen
dirancang menggunakan accelerometer sebagai sensor yang diletakkan pada
sebuah pelampung untuk dapat mengikuti pergerakan partikel air di permukaan
laut. Sistem elektronika menggunakan mikrokontroler ATmega32 sebagai
pengendali utama kerja instrumen. Data dari sensor kemudian disimpan pada
MMC/SD card dan dilakukan analisis data lapang menggunakan perangkat lunak
MATLAB. Metode analisa data menggunakan zero crossing analysis untuk
mendapatkan karakteristik gelombangnya. Pengukuran dilakukan dengan sistem
penambatan pada satu titik tetap pada dasar perairan. Uji lapang dilakukan di
perairan Wakatobi, Sulawesi Tenggara pada Juli 2013 di kedalaman 8 meter. Dari
hasil analisis data pada lokasi pengamatan selama 22 jam perekaman
menunjukkan karakteristik gelombang, yaitu rata-rata tinggi gelombang ̅
sebesar 0.72 meter; tinggi gelombang signifikan (Hsig) 1.32 meter dan tinggi
gelombang maksimum (Hmax) 2.58 meter.
Kata kunci: accelerometer, instrumen, gelombang, wakatobi
ABSTRACT
KHASANAH DWI ASTUTI. Designing and Constructing Wave Buoy Instrument
Using Accelerometer Sensor. Supervised by INDRA JAYA.
Ocean wave is one of the important parameter that affected the dynamic of
the coastal. Ocean monitoring that provides real-time data is needed to help better
understand of the ocean. The objective of this study are designing and
constructing an instrument to measure the wave height. The instrument is
designed by using accelerometer sensor and its placed on a buoy to follow the
water particle movement on the sea surface. Electronics systems used ATmega32
microcontroller as the main control of this instruments. Data from the sensors
stored on the MMC/SD card. Data analysis used MATLAB software by using
zero crossing method to get the wave properties. The instruments measured at one
fixed point by mooring system. Instrument had undergone fields test in Wakatobi,
Southeast Sulawesi and moored at 8 meters depth. Data analysis in 22 hours
recording in location showed that the average wave height ̅ was 0.72 meters;
the significant wave height (Hsig) was 1.32 meters and the maximum wave height
(Hmax) was 2.58 meters.
Keywords: accelerometer, instrument, wave, wakatobi
RANCANG BANGUN INSTRUMEN PENGUKUR TINGGI
GELOMBANG PERMUKAAN LAUT MENGGUNAKAN
SENSOR ACCELEROMETER
KHASANAH DWI ASTUTI
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Ilmu Kelautan
pada
Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan
DEPARTEMEN ILMU DAN TEKNOLOGI KELAUTAN
FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2014
Judul Skripsi : Rancang Bangun Instrumen Pengukur Tinggi Gelombang
Permukaan Laut Menggunakan Sensor Accelerometer
Nama
: Khasanah Dwi Astuti
NIM
: C54090067
Disetujui oleh
Prof Dr Ir Indra Jaya, MSc
Pembimbing
Diketahui oleh
Dr Ir I Wayan Nurjaya, MSc
Ketua Departemen
Tanggal Lulus: 21 Februari 2014
Judul Skripsi: Rancang Bangun Instrumen Pengukur Tinggi Gelombang
Pennukaan Laut Menggunakan Sensor Accelerometer
: Khasanah Dwi Astuti
Nama
: C54090067
NIM
Disetujui oleh
Prof Dr Ir Indra Jaya, MSc
Pembimbing
Diketahui oleh
Dr Ir VWayan Nwjaya, MSc
Ketua Departemen
Tanggal Lulus: 21 Februari 2014
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala karena
atas segala karunia-Nya sehingga penulis mampu menyeleasaikan skripsi yang
berjudul “Rancang Bangun Instrumen Pengukur Tinggi Gelombang Permukaan
Laut Menggunakan Sensor Accelerometer” dengan baik. Terima kasih penulis
ucapkan kepada:
1. Bapak Prof. Dr. Indra Jaya selaku pembimbing skripsi atas masukan, saran,
dan arahan sehingga terselesaikan skripsi ini.
2. Bapak Dr. Ir. Agus Atmadipoera, DESS atas kesediaannya menjadi dosen
penguji dan Ibu Dr. Ir. Neviaty P. Zamani M.Sc sebagai gugus kendali mutu
yang telah membantu perbaikan penulisan skripsi.
3. Segenap staf pendidik dan civitas Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan,
FPIK -IPB atas ilmu, bimbingan dan bantuan selama menjalani kuliah.
4. Kedua orang tua, Saptoro dan Siti Rochimah Zulaicha serta adik dan kakak
terkasih atas segala do’a, semangat, cinta, kasih sayangnya.
5. M. Iqbal, M. Si atas semua ilmu, masukan, motivasi dan bimbingannya dalam
penyelesaian skripsi.
6. Seluruh warga Bengkel Akustik dan Instrumentasi Kelautan, teman-teman
tercinta Marine Instrumentation and Telemetry (MIT) Club, diklat MIT 01 dan
MIT 02 atas bantuan, pengalaman, kepercayaan, dan segala suka cita bersama.
7. Teman dan sahabat-sahabat Crazier ITK 46 atas motivasi, doa dan
kebersamaannya.
8. Pihak-pihak yang telah membantu terlaksananya Ekspedisi Arus Balik II, serta
pihak lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per-satu.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, Februari 2014
Khasanah Dwi Astuti
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Tujuan Penelitian
1
METODE
2
Waktu dan Tempat Penelitian
2
Alat dan Bahan Penelitian
2
Prosedur Penelitian
3
HASIL DAN PEMBAHASAN
6
Hasil Rancang Bangun
6
Uji Coba Lapang
9
Analisa Data
SIMPULAN DAN SARAN
10
16
Simpulan
16
Saran
16
DAFTAR PUSTAKA
17
RIWAYAT HIDUP
18
DAFTAR TABEL
1 Alat yang digunakan dalam penelitian
2 Bahan yang digunakan dalam penelitian
2
3
DAFTAR GAMBAR
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Peta lokasi pemasangan instrumen
Perancangan fungsional elektronik
Profil vertikal gelombang laut ideal
Zero crossing analysis
Desain umum instrumen
Sistem minimum mikrokontroler
Rangkaian sensor accelerometer
Rangkaian dasar Real Time Clock DS1307
Rangkaian dasar MMC card
Alur program utama
Pemasangan instrumen di lokasi penelitian
Posisi sensor pada pengukuran statis
Data mentah hasil pengukuran sensor accelerometer
Data yang terkontaminasi derau
Zero crossing analysis pada data perekaman
Plot tinggi gelombang rata-rata dan waktu perekaman
Plot tinggi gelombang signifikan, tinggi gelombang maksimum dan
masing masing periodenya pada waktu perekaman
Kecepatan angin dari pengolahan data angin
Data accelerometer setelah dilakukan filter
Scatter plot nilai x dan y
(a) Arah gelombang dari pengolahan data accelerometer dan (b) Arah
angin dari pengolahan data angin
Grafik tinggi pasang surut dan percepatan pada sumbu z
2
3
4
5
6
7
8
8
8
9
10
10
11
11
12
13
13
14
14
15
15
16
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Gelombang laut merupakan pergerakan air naik dan turun tegak lurus
dengan permukaan laut. Gelombang dapat dibedakan berdasarkan gaya
pembangkitnya. Angin merupakan pembangkit utama gelombang yang terjadi di
permukaan laut. Angin berhembus di atas permukaan laut dan mentransfer
energinya melalui partikel air sesuai dengan arah angin. Gelombang yang terjadi
di laut memiliki pergerakan yang acak dan kompleks, di mana tinggi dan periode
gelombang sulit dirumuskan secara akurat. Secara sederhana, gelombang
merupakan superposisi dari gelombang tunggal yang berbentuk sinusoidal. Tinggi
gelombang merupakan salah satu parameter penting untuk diketahui. Pemantauan
gelombang di laut perlu dilakukan karena memiliki pengaruh terhadap dinamika
yang terjadi di pantai. Data gelombang dapat membantu kegiatan perencanaan
bangunan pantai, pelabuhan, alur pelayaran dan lalu lintas kapal.
Teknologi yang telah berkembang untuk melakukan pemantauan tinggi
gelombang laut antara lain menggunakan satelit altimetri, wave gauge
menggunakan sensor tekanan, Syntetic Apperture Radar pada satelit dan sensor
accelerometer yang diletakkan pada sebuah buoy (Stewart 2008). Pemantauan
gelombang menggunakan pelampung gelombang (wave buoy) dengan
accelerometer sebagai sensor sudah lama dilakukan di dunia, salah satunya oleh
perusahaan Datawell. Waverider buoy merupakan salah satu wave buoy yang
diproduksi oleh perusahaan Datawell dengan pengukuran berbasis sensor
accelerometer dan compass magnetik untuk mendeteksi gerak gelombang di
permukaan perairan. Wave buoy ini telah dikembangkan sejak 40 tahun terakhir
dan saat ini menjadi desain standar wave buoy di dunia.
Accelerometer merupakan sensor yang dapat mengukur percepatan pada tiga
sumbu bumi (x,y,z). Accelerometer dapat mengukur percepatan positif maupun
negatif akibat pergerakan benda yang melekat padanya. Sensor ini diletakkan pada
sebuah pelampung yang dirancang untuk mengikuti pergerakan partikel air di
permukaan laut sehingga dapat dilakukan pengukuran tinggi gelombang.
Dalam penelitian ini, dirancang instrumen yang mampu melakukan
pengukuran tinggi gelombang permukaan laut. Pengambilan data dan uji coba
pengukuran di laut dilakukan di perairan Wakatobi, yaitu selat antara Pulau Hoga
dan Pulau Kaledupa pada kedalaman mooring 8 meter.
Tujuan Penelitian
1.
2.
3.
Tujuan dari penelitian ini, yaitu:
Menghasilkan instrumen yang dapat digunakan untuk mengukur tinggi
gelombang permukaan laut
Melihat uji kinerja instrumen pada perairan terbuka
Pengolahan dan analisis data sensor accelerometer untuk mendapatkan nilai
tinggi gelombang laut
2
METODE
Waktu dan Tempat Penelitian
Rancang bangun instrumen dilakukan pada bulan Maret - Juni 2013.
Perancangan instrumen dan analisis data dilakukan di Laboratorium Instrumentasi
dan Telemetri Kelautan Bagian Akustik dan Instrumentasi Kelautan, Departemen
Ilmu dan Teknologi Kelautan, Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan, Institut
Pertanian Bogor. Uji kinerja instrumen dilakukan di Perairan Kepulauan
Wakatobi pada Juli 2013. Pengambilan data lapang dilakukan di perairan Pulau
Hoga, Kepulauan Wakatobi. Koordinat pemasangan yaitu pada 5.47˚ LS dan
123.75˚ LU. Posisi pemasangan instrumen dapat dilihat pada peta Gambar 1.
Gambar 1 Peta lokasi pemasangan instrumen
Alat dan Bahan Penelitian
Alat yang digunakan dalam penelitian dapat dilihat pada Tabel 1.
Tabel 1 Alat yang digunakan dalam penelitian
Alat
Solder
Tipe/Nilai
40 W
Gerinda
Multimeter Digital
Krisbow
HELES UX839TR
ISP Programer
ISP Programer
USB to serial
Laptop
Fungsi
Menyolder antar komponen
elektronik
Memotong komponen
Mengukur tegangan, hambatan,
dan koneksi komponen elektronik
Mengunduh program ke
mikrokontroler
Koneksi serial mikrokontroler
dan komputer
Pembuatan program
mikrokontroler dan analisais data
3
Bahan yang digunakan dalam penelitian dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2 Bahan yang digunakan dalam penelitian
Bahan
Buoy
Modul mikrokontroler
Sensor accelerometer
Modul RTC DS1307
Modul MMC
Micro SD card
Baterai
Kabel
Timah
Silika gel
Pipa paralon
Resin dan katalis
Tali tambang
Nilai/Tipe
Ø 0.9 m
ATmega32
MMA 7361
DT I/O I2C peripheral
FRAM V3.0
SanDisk 2 GB
5 V 10 AH
Jumlah
1 buah
1 buah
1 buah
1 buah
1 buah
1 buah
1 buah
1 meter
1 gulung
1 bungkus
1.5 meter
1 botol
20 meter
Ø 0.8 mm
Butiran
4 inch
Ø 1 cm
Prosedur Penelitian
Perancangan Instrumen
Perancangan wahana
Desain instrumen menggunakan model desain wave buoy yang telah
dikembangkan oleh perusahaan Datawell. Wahana terdiri atas pelampung (buoy)
untuk pemberi daya apung sekaligus peletakan komponen elektronika. Buoy ini
dirancang untuk dapat mengikuti gerakan partikel air pada permukaan laut
sehingga dapat dideteksi perpindahannya (perubahan posisi vertikal dan
horizontal). Pengukuran yang dilakukan menggunakan sistem penambatan pada
satu titik tetap (mooring system) sehingga perlu dipilih sistem penambatan yang
sesuai untuk instalasi di lapang agar dapat menghasilkan data pengukuran yang
paling baik.
Perancangan sistem elektronik
Sistem elektronik menggunakan mikrokontroler ATmega32 sebagai
pengendali utama kerja instrumen, modul sensor accelerometer MMA 7361 yang
menghasilkan data percepatan sumbu, modul real time clock DS1307 sebagai
penanda waktu. Kemudian data yang diperoleh disimpan dalam MMC/ SD card
sebagai sistem penyimpanan data. Catu daya untuk semua komponen elektronik
tersebut menggunakan baterai 5 V 10 AH. Skematik fungsional komponen
elektronika dapat dilihat pada Gambar 2.
Catu Daya (Baterai)
Penyimpanan Data
(Micro SD Card)
Mikrokontroler (ATmega32)
Sensor Percepatan
(MMA 7361)
Penanda Waktu
(DS 1307)
Gambar 2 Perancangan fungsional elektronik
4
Perancangan perangkat lunak
Perancangan perangkat lunak difokuskan untuk melakukan pemrograman
mikrokontroler. Perangkat lunak yang digunakan yaitu BASCOM AVR yang
merupakan bahasa pemrograman basic. Perangkat lunak dirancang untuk
mengambil data dari sensor accelerometer dan penanda waktu kemudian disimpan
pada media penyimpanan.
Uji Lapang Instrumen
Uji lapang bertujuan untuk melihat kinerja instrumen di perairan terbuka.
Hal yang perlu diperhatikan dalam uji lapang diantaranya kestabilan wahana,
sistem penambatan, kinerja sistem elektronik dan sistem penyimpanan data.
Kestabilan dan sistem penambatan dilihat secara visual yaitu posisi wahana dan
sistem instalasi instrumen di lapang. Dilihat pula kinerja sistem elektronik untuk
dapat melakukan pengukuran serta keberhasilan untuk melakukan penyimpanan
data.
Analisis Data
Accelerometer MMA 7361
Accelerometer merupakan sensor yang mengukur percepatan pada tiga
sumbu bumi (x,y,z). Hasil data berupa tegangan analog yang merepresentasikan
percepatan benda. Nilai analog diubah menjadi nilai digital oleh fitur ADC
mikrokontroler. Untuk mendapatkan data percepatan, maka nilai digital yang
dihasilkan dikonversi menjadi voltase per-sensitivitas sensor menggunakan
persamaan 1.
g
Keterangan:
g
DN (Digital Number)
Vref
Sensitifitas
4
ref
sensitivitas
.
: percepatan
: nilai digital yang dihasilkan setelah konversi ADC
: tegangan referensi yang digunakan pada ADC
: nilai sensitifitas sensor yang dipilih
Perhitungan tinggi gelombang
Gelombang di laut merupakan suatu gerakan yang acak dan tidak linear.
Untuk menyederhanakan teori gelombang permukaan, diasumsikan bentuk
gelombang adalah gelombang ideal yang berbentuk sinusoidal. Asumsi ini
menyatakan perpindahan gelombang η sebagai gerakan harmonik sederhana
yaitu variasi putaran dalam level air yang disebabkan oleh lintasan gelombang.
(Stewart 2008).
Terdapat suatu hubungan matematis antar karakteristik gelombang. Tinggi
gelombang (H) adalah perubahan tinggi secara vertikal antara puncak gelombang
(crest) dan lembahnya (trough) (Gambar 3). Tinggi gelombang adalah dua kali
amplitudo gelombang (a). Panjang gelombang (L) adalah jarak antara dua
rangkaian puncak gelombang (atau melalui 2 puncak berturut-turut). Interval
waktu antara dua puncak yang berurutan yang melalui suatu titik tetap disebut
sebagai periode (T). Profil vertikal gelombang laut ideal yang memperlihatkan
dimensi linier dan bentuk sinusoidal ditunjukkan pada Gambar 3.
5
Gambar 3 Profil vertikal gelombang laut ideal
Data perekaman wave buoy yang digunakan untuk perhitungan tinggi
gelombang adalah data percepatan pada arah vertikal. Data percepatan dalam
satuan g merupakan satuan percepatan yang menunjukkan adanya pengaruh
gravitasi bumi yang bekerja pada setiap benda. Nilai yang didapatkan kemudian
dikalikan dengan percepatan gravitasi standar yang didefinisikan sebagai 9.81
m/s2. Percepatan benda (a) ini kemudian dikonversi menjadi jarak (displacement)
yang menunjukkan tinggi gelombang dalam satuan meter. Percepatan merupakan
perubahan kecepatan terhadap waktu. Sedangkan kecepatan merupakan
perpindahan posisi tiap satuan waktu. Maka dengan persamaan 2 dan 3 dapat
diketahui jarak atau perpindahan posisi buoy terhadap titik sebelumnya:
a
v
t
v
s
t
Keterangan:
a
: percepatan (m/s2)
v
: kecepatan (m/s)
t
: waktu (s)
s
: jarak (m)
Data jarak yang telah didapatkan kemudian dianalisis untuk mendapatkan
karakteristik gelombangnya. Metode yang biasa digunakan untuk melakukan
analisis gelombang laut pada domain waktu adalah zero crossing analysis, dimana
sebuah gelombang dibentuk dari puncak gelombang dan lembah gelombang
setelah melewati nilai 0. Nilai 0 merupakan Still Water Level (SWL) pada
permukaan perairan. SWL atau kondisi muka air tenang merupakan ketinggian
level air pada saat tidak terdapat gelombang. Metode zero crossing analysis yang
merepresentasikan karakteristik dari gelombang yang terjadi di laut ditunjukkan
pada Gambar 4.
sea surface displacement
zero crossing waves
time
wave height
crest wave
wave trace
wave period
Gambar 4 Zero crossing analysis
6
Deskripsi statistik perekaman data gelombang
Nilai dari pengukuran data gelombang tidak pernah berulang dan persis
sama terjadi. Tetapi jika diukur pada suatu titik tetap, distribusi statistik nilai
periode dan tinggi gelombang akan memiliki kesamaan dari perekaman satu dan
yang lainnya. Distribusi statistik adalah cara yang paling tepat digunakan untuk
mendeskripsikan pengukuran dari perekaman data gelombang. Karakteristik yang
sering digunakan (WMO 1998) sebagai berikut:
H (̅
: tinggi gelombang rata-rata
Hsig (H1/3) : ketinggian gelombang signifikan, yaitu rata-rata ketinggian dari 1/3
atau dengan proporsi 33% tinggi gelombang yang diurutkan menurut
ketinggiannya
Hmax
: ketinggian gelombang maksimum dari seluruh data perekaman
̅
T
: periode gelombang rata-rata
Tsig (T1/3) : periode gelombang signifikan, yaitu rata-rata periode gelombang yang
mendefinisikan Hsig
HASIL DAN PEMBAHASAN
Hasil Rancang Bangun
Desain umum instrumen
Desain umum instrumen terdiri dari desain wahana dan sistem penambatan
(mooring system). Wahana menggunakan buoy sebagai pelampung yang akan
mengikuti partikel air sekaligus peletakan komponen elektronika. Buoy memiliki
diameter 0.9 m, pada bagian bawah dipasang penyangga yang terbuat dari paralon
dengan diameter 10.16 m dan panjang 1.5 m. Penyangga ini dibuat untuk menjaga
kestabilan buoy agar dapat melayang dengan baik di permukaan.
r = 0.9 m
komponen
elektronika
buoy
penyangga
1.5 m
r = 4 inchi
9m
tali
jangkar
Gambar 5 Desain umum instrumen
7
Sistem penambatan menggunakan tiga buah jangkar yang dipasang di dasar
perairan. Tali tambang digunakan untuk mengikat wahana dengan jangkar.
Panjang total tali dari buoy ke jangkar adalah 9 meter dengan mempertimbangkan
pasang surut perairan di lokasi instalasi. Kedalaman perairan pada saat instalasi
adalah 8 meter. Desain umum instrumen dapat dilihat pada Gambar 5.
Sistem elektronika
Mikrokontroler yang digunakan adalah ATmega32 yang diproduksi oleh
Atmel dan memiliki sirkuit dasar yang telah ditetapkan. Mikrokontroler
beroperasi pada tegangan 4.5 V sampai 5.5 V. Semua pin dapat digunakan sebagai
I/O yang bekerja dua arah. Rangkaian minimum mikrokontroler memerlukan
beberapa komponen tambahan lain untuk dapat bekerja seperti clock external agar
dapat melakukan instruksi yang diperintahkan dengan lebih cepat. Kristal yang
digunakan yaitu 4MHz dengan kapasitor 22pF. Gambar 6 merupakan sistem
minimum mikrokontroler yang digunakan dalam rangkaian elektronik instrumen.
Gambar 6 Sistem minimum mikrokontroler
Sensor accelerometer yang digunakan adalah modul MMA7361 yang
diproduksi oleh LC Studio. Tegangan yang dibutuhkan sensor accelerometer
untuk beroperasi berkisar 2.2 V sampai 3.6 V dengan tegangan tipikal 3.3 V.
Modul ini telah dilengkapi dengan regulator 3.3 V untuk tegangan masuk sensor.
Keluaran sensor dihubungkan dengan 3 buah pin di PORT.A karena tegangan
keluarannya berupa besaran analog sehingga dibutuhkan ADC untuk merubahnya
menjadi nilai digital agar dapat berkomunikasi dengan mikrokontroler. Sensor
MMA7361 ini sendiri sudah dilengkapi dengan pengkondisi sinyal internal berupa
low pass filter orde 1 dengan frekuensi cutoff 1507 Hz (Freescale 2008). Terdapat
pin g-select (GS) pada modul ini yang digunakan untuk pemilihan tingkat
sensitifitas sensor dengan nilai g-Range yang berbeda. Terdapat 2 pilihan
sensitifitas, yaitu 206 mV/g dengan nilai g-Range 6 g dan 800 mV/g dengan nilai
g-Range 1.5 g. Sensitifitas yang digunakan pada penelitian ini yaitu 800 mV/g
dengan mempertimbangkan pergerakan percepatan gelombang. Untuk memilih
nilai g-Range 1.5 g maka diberikan logika low pada pin g-select. Gambar 7
menunjukkan rangkaian modul accelerometer MMA7361.
8
Gambar 7 Rangkaian sensor accelerometer
Komponen Real Time Clock (RTC) yang digunakan yaitu DS1307.
Komponen ini beroperasi pada tegangan 5 V dan dihubungkan dengan
mikrokontroler menggunakan komunikasi 2-wire dengan fitur I2C. Pin SCL
dihubungkan dengan PORTC.0 dan pin SDA dihubungkan dengan PORTC.1
mikrokontroler. Pada pin SDA dan SCL ini dibutuhkan resistor pull-up sebesar
4.7 KΩ. S
7 membutuhkan kristal eksternal standar 32768 KHz dengan
kapasitor 12.5 pF. Selain itu dibutuhkan juga sumber tegangan tambahan dari
baterai lithium cell 3 V untuk dapat tetap beroperasi saat tidak mendapatkan
tegangan masukan sehingga pengaturan waktu yang telah dilakukan tidak akan
hilang. Gambar 8 merupakan rangkaian dasar komponen RTC DS1307.
Gambar 8 Rangkaian dasar Real Time Clock DS1307
Sistem penyimpanan data menggunakan modul MMC FRAM V3.0 yang
diproduksi oleh Innovative Electronic. Tegangan yang dibutuhkan untuk dapat
beroperasi adalah 3.3 V dengan resistor pull-up 10 KΩ. Modul ini telah
dilengkapi dengan regulator 3.3 V untuk tegangan masukan ke MMC. MMC/SD
Card dihubungkan dengan mikrokontroler menggunakan antar muka Serial
Peripheral Interface (SPI). Jalur yang digunakan yaitu MISO, MOSI, SCK, dan
SS yang dihubungkan pada PORTB mikrokontroler. Gambar 9 merupakan
rangkaian dasar komponen MMC Card.
Gambar 9 Rangkaian dasar MMC card
9
Desain perangkat lunak
Desain perangkat lunak merupakan pembuatan program utama untuk
pemrograman mikrokontroler. Perangkat lunak yang digunakan adalah
BASCOM-AVR. Pada tahap awal, mikrokontroler melakukan inisialisasi
mikrokontroler, sensor accelerometer, DS1307 dan MMC card. Kemudian
mikrokontroler akan mendeteksi keadaan MMC card. Pada kondisi ini, program
akan terus berulang dan tidak dapat diteruskan apabila MMC card tidak terdeteksi.
Setelah itu dibuat sebuah file di dalam MMC card dengan nama file data.txt.
Mikrokontroler kemudian mengambil data analog dari sensor accelerometer dan
data waktu dari DS1307 yang selanjutnya akan disimpan pada satu baris dalam
file data.txt. Terdapat waktu tunggu 1 detik dan kemudian terus berulang untuk
pengambilan data sensor dan penyimpanannya dalam file data.txt. Alur program
utama mikrokontroler dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10 Alur program utama
Uji Lapang Instrumen
Uji lapang instrumen dilakukan di perairan Pulau Hoga dengan jarak
pemasangan instrumen ± 300 m dari pantai. Lokasi ini memiliki batimetri dengan
kemiringan curam. Instalasi sistem mooring dilakukan pada kedalaman 8 meter
menggunakan tiga buah jangkar. Buoy memiliki daya apung yang cukup besar
pada penempatannya di lapang. Terlihat hanya ± ¼ bagian yang melayang di
permukaan air dengan posisi buoy sedikit miring saat pemasangan. Hal ini
mengakibatkan pengaruh angin yang berhembus di permukaan menjadi cukup
berpengaruh terhadap pergerakan buoy. Pemasangan instrumen pada lokasi
pengamatan dapat dilihat pada Gambar 11.
Instrumen berhasil mengukur tinggi gelombang dan berhasil menyimpan
data tersebut pada media penyimpanan. Hasil uji lapang menunjukkan sistem
elektronik instrumen bekerja dan melakukan perekaman data selama 26 jam
10
dengan selang pencuplikan data setiap 1 detik. Tetapi terjadi kerusakan data pada
4 jam terakhir sehingga total data yang dapat dianalisis adalah 22 jam.
Gambar 11 Pemasangan instrumen di lokasi penelitian
Analisis Data
Data accelerometer
Nilai keluaran sensor ini berupa tegangan analog sehingga dibutuhkan
tegangan referensi untuk proses konversi nilai analog ke nilai digital. Tegangan
referensi untuk ADC yang diberikan adalah 3.3 V untuk memudahkan
perhitungan konversi. Pada pemilihan sensitivitas sensor, dipilih nilai g-Range 1.5
g yang memiliki sensitifitas 800 mV/g artinya tegangan berubah sebesar 800 mV
per-1 g perubahan gravitasi.
Sensor pada kondisi diam menghasilkan output tegangan yang nilainya
setengah dari tegangan masukan sensor (Vdd). Output tegangan pada percepatan
dd
positif akan meningkat di atas tegangan
dan pada percepatan negatif nilainya
dd
pada masing-masing sumbu. Nilai ini juga
akan menurun di bawah tegangan
dipengaruhi oleh orientasi sensor pada kondisi statis tehadap percepatan gravitasi
bumi. Gambar 12 menunjukkan posisi peletakan sensor accelerometer terhadap
arah gravitasi bumi. Pada posisi ini, nilai gravitasi yang terhitung pada sumbu x=
0 g; sumbu y=0 g dan sumbu z=1 g (Freescale 2008).
accelerometer pada posisi z tegak
lurus terhadap arah gravitasi
Gambar 12 Posisi sensor pada pengukuran statis
11
sumbu x (V)
4
sumbu y (V)
4
sumbu z (V)
Gambar 13 merupakan plot data hasil perekaman dari instrumen. Data ini
merupakan nilai voltase yang merepresentasikan percepatan yang dideteksi pada
masing-masing sumbu (x,y,z). Total waktu perekaman data yaitu 22 jam dengan
selang pencuplikan satu detik.
4
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
4
x 10
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
4
x 10
2
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
4
x 10
waktu (detik)
Gambar 13 Data mentah hasil pengukuran sensor accelerometer
Perhitungan tinggi gelombang
Untuk mendapatkan parameter tinggi gelombang, digunakan data hasil
perekaman pada sumbu z. Data mentah hasil perekaman tersebut kemudian diolah
sehingga didapatkan nilai percepatan pada arah vertikal. Sensor bergerak
mengikuti partikel gelombang sehingga akan didapatkan perpindahan positif
sensor, yaitu benda bergerak vertikal di atas titik 0 dan perpindahan negatif
artinya benda bergerak vertikal di bawak titik 0. Karena sumbu z mendeteksi
percepatan gravitasi sebesar 1g, maka percepatan pada sumbu ini kemudian
dikalikan dengan nilai percepatan gravitasi. kemudian nilai percepatan ini
dikonversi menjadi jarak dalam satuan meter.
Selanjutnya dihitung nilai SWL yang yang akan digunakan sebagai titik 0,
yaitu muka air tenang tanpa adanya gelombang. Setelah didapatkan nilai SWL,
dapat diketahui perpindahan posisi buoy di atas nilai 0 yang merupakan puncak
gelombang dan perpindahan posisi di bawah nilai 0 yang merupakan lembah
gelombang.
Data hasil perekaman masih terdapat beberapa derau (noise) yang
kemungkinan disebabkan oleh gangguan mekanik dari rangkaian elektronika.
Maka dilakukan filter data untuk menghilangkan derau tersebut. Gambar 14
merupakan contoh data yang terkontaminasi derau.
4
tinggi gelombang (m)
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
850
950
1,050
1,150
waktu (detik)
1,250
Gambar 14 Data yang terkontaminasi derau
1,350
12
Statistika data gelombang
Data perekaman selama 22 jam dipilah menjadi data per satu jam
perekaman. Gambar 15 (a) adalah perekaman data gelombang selama satu jam
dimulai pukul 14.00 WITA. Kotak merah pada grafik diperbesar dan
memperlihatkan perekaman data dalam waktu 60 detik (Gambar 15 (b)).
Lingkaran merah pada garis 0 menunjukkan up-crossing yaitu gelombang puncak
(crest wave) yang terbentuk di atas nilai 0. Kemudian garis berwarna merah
menunjukkan down-crossing yaitu lembah gelombang (wave trace) yang
terbentuk di bawah nilai 0. Setelah gelombang puncak melintasi titik nol dan
terjadi lembah gelombang yang melintasi titik 0 kembali, maka ini dihitung
sebagai sebuah gelombang yang memiliki tinggi tertentu dan periode tertentu.
Tinggi gelombang adalah jarak antara gelombang puncak tertinggi dan lembah
gelombang terendah dari titik 0. Periode gelombang adalah waktu yang
dibutuhkan untuk kembali melintasi nilai 0. Metode zero crossing analysis yang
digunakan pada perekaman data 60 detik menghasilkan informasi karakteristik
gelombang sebagai berikut:
3
tinggi gelombang (m)
2
1
0
-1
-2
-3
0
300
600
900
1200
1500 1800 2100
waktu (detik)
2400
2700
3000
3300
3600
55
60
(a)
1
H
Hsig
Hmax
T
Tsig
tinggi gelombang (m)
0.75
0.5
= 0.64 m
= 1.21 m
= 1.5 m
= 4.2 detik
= 5.2 detik
0.25
0
-0.25
-0.5
-0.75
-1
0
5
10
15
20
25
30
35
waktu (detik)
40
45
50
(b)
Gambar 15 Zero crossing analysis pada data perekaman
Data yang telah dipilah per-satu jam perekaman kemudian dianalisa
menggunakan metode zero crossing analysis untuk mendapatkan karakteristik
gelombangnya. Gambar 16 merupakan plot tinggi gelombang rata-rata ̅ serta
periode gelombang rata-rata ̅ yang didapatkan tiap jam perekaman. Fluktuasi
nilai tinggi gelombang rata-rata yang didapatkan yaitu berkisar 0.2 sampai 0.9
meter dengan periode gelombang rata-rata berkisar 3.6 sampai 4 detik.
13
tinggi gelombang
rata-rata (m)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
4
T (detik)
3.9
3.8
3.7
3.6
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00
00:00
waktu (jam)
02:00
04:00
06:00
08:00
Gambar 16 Plot tinggi gelombang rata-rata dan periodenya
pada waktu perekaman
Gambar 17 merupakan plot tinggi gelombang signifikan (Hsig) dan tinggi
gelombang maksimum (Hmax) dengan periode gelombangnya, Tsig mendefinisikan
periode pada tinggi gelombang signifikan dan Tmax mendefinisikan periode pada
tinggi gelombang maksimum. Tinggi gelombang signifikan adalah nilai yang
biasa digunakan untuk menghitung probabilitas tinggi gelombang dari distribusi
statistik data gelombang. Tinggi gelombang signifikan yang didapat dari
perhitungan ini yaitu berkisar antara 0.4 sampai 1.7 meter. Tinggi gelombang
signifikan tertinggi terjadi pada pukul 17.00 mencapai 1.72 meter dan terendah
pada pukul 02.00 dengan ketinggian gelombang 0.4 meter. Tinggi gelombang
maksimum (Hmax) adalah nilai tinggi gelombang tertinggi pada waktu perekaman.
Tinggi gelombang maksimum yaitu pada pukul 04.00 yang mencapai tinggi 2.58
meter.
tinggi gelombang
(m)
3
2.5
2
1.5
1
Hsig
Hmax
0.5
0
periode gelombang
(detik)
6
Tsig
Tmax
5.75
5.5
5.25
5
4.75
4.5
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00
00:00
02:00
04:00
06:00
08:00
waktu (jam)
Gambar 17 Plot tinggi gelombang signifikan, tinggi gelombang maksimum,
dan masing masing periodenya pada waktu perekaman
Gelombang yang terjadi sangat dipengaruhi oleh angin yang berhembus di
atas permukaan laut. Hasil pengolahan data angin dari anemometer didapatkan
kecepatan angin yang tinggi pada siang sampai dengan sore hari dan rendah pada
14
malam sampai dini hari (Gambar 18). Hal ini membuat gelombang yang terjadi
pada sore hari menjadi tinggi, sedangkan kondisi permukaan laut yang cukup
tenang pada malam sampai dini hari sesuai dengan hasil analisa data gelombang
yang didapatkan dari instrumen.
6
5.5
5
4.5
kecepatan angin
(m/s)
4
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
waktu (jam)
22:00
00:00
02:00
04:00
Gambar 18 Kecepatan angin dari pengolahan data angin
sumbu x
Data Pendukung dan Pengoreksi
Angin dan pasang surut
Kalibrasi dan filter data sensor dilakukan untuk melihat pola grafik yang
dihasilkan dari masing masing sumbu. Kalibrasi diperlukan untuk menghilangkan
percepatan gravitasi bumi yang dideteksi atau percepatan pada kondisi statis
sensor. Nilai tegangan untuk kalibrasi sensor pada masing-masing sumbu yaitu
sumbu x= 1.56 V; sumbu y= 1.97 V; dan sumbu z= 2.10 V. Kemudian dilakukan
filter digital menggunakan teknik penyaringan perata-rataan bergeser (moving
average). Gambar 19 merupakan plot data accelerometer setelah dilakukan
kalibrasi dan filter. Grafik data menunjukkan pola yang terbentuk pada masingmasing sumbu. Sumbu x dan sumbu y menunjukkan pola grafik yang berlawanan
arah.
1
0.5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
sumbu y
4
x 10
0.6
0.5
0.4
0
1
2
3
4
5
6
7
8
sumbu z
4
x 10
0.8
0.6
0.4
0
1
2
3
4
waktu (detik)
5
6
Gambar 19 Data accelerometer setelah difilter
7
8
4
x 10
15
Arah gelombang merupakan penjalaran gelombang pada bidang horizontal.
Gelombang yang dibangkitkan oleh angin akan menjalar searah dengan arah angin
bertiup. Data dari accelerometer pada bidang horizontal, yaitu data pada sumbu x
dan sumbu y dapat diketahui penjalaran arah gelombang dengan menghitung nilai
resultan dari kedua sumbunya. Gambar 20 merupakan scatter plot dari sumbu x
dan sumbu y yang memperlihatkan pola penjalaran gelombang pada bidang
horizontal.
0.56
sumbu y (g)
0.54
0.52
0.5
0.48
0.46
0.4
0.5
0.6
0.7
sumbu x (g)
0.8
0.9
1
Gambar 20 Scatter plot nilai x dan y
Gambar 21 (a) merupakan arah penjalaran gelombang dan (b) arah angin
dari data anemometer yang ditunjukkan menggunakan diagram mawar. Gambar
21 menunjukkan arah gelombang bergerak 40˚ sampai dengan 50˚ ke arah barat
laut. Pengolahan rata-rata data angin harian yang dilakukan menunjukkan angin
bertiup dominan dari tenggara dan timur. Hal ini sesuai dengan perhitungan data
accelerometer yang menunjukkan penjalaran gelombang menuju ke arah barat
laut.
0
0
330
30
300
60
330
30
300
60
300
1500
200
1000
500
90
270 90
240
120
210
150
180
100
270
120
240
150
210
180
(a)
(b)
Gambar 21 (a) Arah gelombang dari pengolahan data accelerometer
dan (b) arah angin dari pengolahan data angin
Koreksi data juga dilakukan dengan melihat pasang surut yang terjadi di
lokasi pengamatan. Gambar 22 merupakan grafik pasang surut dan plot nilai
percepatan sumbu z yang telah difilter pada waktu lokal yang sama. Kedua grafik
menunjukkan kesamaan pola gelombang pasang surut semidiurnal.
16
tinggi pasut (cm)
300
250
200
150
100
percepatan (g)
0.15
0.1
0.05
0
-0.05
-0.1
12:00
18:00
00:00
waktu
06:00
Gambar 22 Grafik tinggi pasang surut dan percepatan pada sumbu z
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Dalam penelitian ini telah dilakukan rancang bangun instrumen pengukur
tinggi gelombang dengan menggunakan accelerometer sebagai sensor untuk
mendeteksi pergerakan partikel air yang diletakkan pada sebuah buoy dengan
pengukuran mooring system. Uji kinerja intrumen di lapangan cukup baik dan
mampu melakukan perekaman data gelombang. Hasil pengolahan data perekaman
selama 22 jam dengan metode zero crossing analysis dari uji lapang di titik
pengamatan yang dilakukan di perairan Wakatobi menunjukkan tinggi gelombang
rata-rata ̅ sebesar 0.72 meter; tinggi gelombang signifikan (Hsig) 1.32 meter
dan tinggi gelombang maksimum (Hmax) 2.58 meter.
Saran
Instrumen yang telah dikembangkan diharapkan masih terus
disempurnakan. Dibutuhkan perancangan desain buoy yang lebih baik agar
orientasi sensor tetap pada posisi horizontal dan tegak lurus terhadap arah
gravitasi. Penambahan komponen elektronika lainnya seperti compass untuk
validasi arah gelombang dan radio transmitter untuk melakukan transmisi data
real time. Analisa spektral dapat dilakukan untuk mengetahui nilai spektral dari
gelombangnya. Selain itu, diperlukan uji laboratorium sensor menggunakan
tabung selindris sehingga bisa dilakukan kalibrasi sensor secara maksimal.
17
DAFTAR PUSTAKA
Aziz F. M. 2006. Gerak Air di Laut. Jurnal Oseana XXXI(4): 9-21.
Freescale Semiconductor. 2008. ±1.5g, ±6g Three Axis Low-g Micromachined
Accelerometer, MMA 7361L.pdf [internet] [diunduh 2013 April 29]. Tersedia
pada: http://www.sparkfun.com.datasheet/components/general/mma7361L.pdf
Joosten H P. 2006. Wave Buoys and Their Elastic Mooring dalam Elastic
Mooring of Wave Navigation Buoys. International Ocean Systems, Datawell
Publication IOS :3-8
Kuperus J. 2009. Wave Monitoring Using Single Nodes.pdf [internet] [diunduh
2013 April 29]. Tersedia pada: http://essay.utwente.nl/59198/1/scriptie_J_
Kuperus.pdf
Laing A K. 1998. An Introduction to Ocean Wave dalam Guide to Wave Analysis
and Forecasting Ed 2. World Meteorological Organization, WMO-No.702:1-6
Pandian. 2010. An overview of recent technologies on wave and current
measurement in coastal and marine applications. Journal of Oceanography and
Marine Science 1(1): 1-10.
[MHL] Manly Hydraulics Laboratory. 2011. Wave Data Analysis and Statistics.
pdf [internet] [diunduh 2013 Desember 28]. Tersedia pada:
http://new.mhl.nsw.gov.au/data/realtime/wave/docs/Wave%20Data%20Analysi
s%20and%20Statistics.pdf
Seifert K, Camacho O. 2007. Implementing Positioning Algorithm Using
Accelerometer. Freescale Semiconductor Inc.
Stewart H. 2008. Introduction to Physical Oceanography. Departement of
Oceanography Texas A&M University.
Tuck K. 2007. Implementing Auto-Zero Calibration Technique for
Accelerometer.: Freescale Semiconductor Inc.
Wahyudi, Susanto A. 2009. Penentuan Faktor Kalibrasi Accelerometer MMA
7260Q pada Ketiga Sumbu. Jurnal Teknik Elektro 11(1): 16-22.
18
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Sukoharjo pada 5 November
1991 dari ayah bernama Saptoro dan ibu Siti Rochimah
Zulaicha yang merupakan anak kedua dari tiga
bersaudara. Penulis menyelesaikan pendidikan Sekolah
Menengah Pertama (SMA) Negeri 1 Ciputat pada tahun
2009, kemudian masuk ke Institut Pertanian Bogor (IPB)
melalui jalur Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi
(SNMPTN) dan diterima di Departemen Ilmu dan
Teknologi Kelautan, Fakultas Perikanan dan Ilmu
Kelautan pada tahun yang sama.
Selama masa studi, penulis pernah menjadi asisten Dasar-dasar
Instrumentasi Kelautan periode 2011/2012 dan 2012/2013, asisten Instrumentasi
Kelautan periode 2012/2013 dan 2013/2014. Penulis juga aktif dalam organisasi
Himpunan Mahasiswa Ilmu dan Teknologi Kelautan (HIMITEKA) periode
2011/2012 dan 2012/2013 sebagai staf kesekretariatan, Marine Instrumentation
and Telemetry (MIT) Club periode 2011-2012 sebagai staf divisi penelitian dan
pengembangan dan periode 2012-2013 sebagai staf divisi pendidikan dan latihan.
Selain itu penulis pernah menjadi peserta The Marine Advanced Technology
Education (MATE) Robot Challage di Hongkong pada tahun 2012 dan menjadi
pemakalah dalam Seminar Hasil Ekspedisi Arus Balik I tahun 2012 yang
diselenggarakan oleh MIT Club.