Design and Performance Test of Four Rows Variable Rate Granular Fertilizer Applicator Prototype for Precision Farming

DESAIN DAN PENGUJIAN PROTOTIPE MESIN PEMUPUK
BUTIRAN LAJU VARIABEL EMPAT BARIS UNTUK
PERTANIAN PRESISI

MUHAMMAD TAHIR SAPSAL

SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012

ii

PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis dengan judul ”Desain dan
Pengujian Prototipe Mesin Pemupuk Butiran Laju Variabel Empat Baris untuk
Pertanian Presisi” adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan
belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. 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 tesis ini.

Bogor, Februari 2012

Muhammad Tahir Sapsal
NRP F151090051

ABSTRACT
MUHAMMAD TAHIR SAPSAL. Design and Performance Test of Four Rows
Variable Rate Granular Fertilizer Applicator Prototype for Precision Farming.
Under supervision of RADITE P. A. SETIAWAN as chairman, and WAWAN
HERMAWAN as member of the advisory committee
In conventional method, fertilizer is applied at a uniform dosage for all
location of a field. However, each location within the field needs different amount
of fertilizer according to the soil nutrient content and growth condition of crop.
For that purpose, it is important to develop a fertilizer applicator that allows a
prescribe rate of fertilizer to be applied at each location within the field, based on
recommended dose. The objectives of this research were: 1) to design digital
metering system to control the application rate of a variable rate granular fertilizer
applicator, 2) to develop a prototype of 4 rows granular fertilizer applicator, that

can provide prescribe application rate automatically, and 3) to obtain field
performance data of the prototype. A prototype of the variable rate granular
fertilizer applicator was designed and constructed.The metering device consisted
of two fluted wheel type of rotors which was driven by controlled DC-motor. To
provide a prescribe rate of fertilizer, a control system based on microcontroller
DT-AVR ATmega128L modul was developed and set to control the speed of the
rotor. The prototype then was tested using three types of granular fertilizers (Urea,
SP-36 and NPK), on stationary test and field tests. The stationary test result
showed that the PID controller could control and provided a proportional
correlation between application rate and rotor speed. The field performance test
result showed that the designed prototype could provide a proper predetermined
application rate of fertilizers precisely. The average deviations of the application
rate for 50, 100, 150, 200, 250 kg/ha dose of Urea were -1.67 , 3.33, 0.28, 2.71
and 1.33 % respectively. For SP-36 were -21.67, -5.42, -2.47, -2.71, and -1.67 %.
respectively. For NPK were -18.33, -4.17, -4.17, -3.75 and -2.33 % respectively.
Keywords: variable rate, fertilizer applicator, control system, PID, AVR

2

RINGKASAN

MUHAMMAD TAHIR SAPSAL. Desain dan Pengujian Prototipe Mesin
Pemupuk Butiran Laju Variabel Empat Baris untuk Pertanian Presisi. Di bawah
bimbingan RADITE P.A.SETIAWAN dan WAWAN HERMAWAN
Salah satu upaya yang dilakukan untuk meningkatkan produksi pertanian
adalah dengan melakukan pemberian pupuk. Metode yang digunakan dalam
pemberian pupuk di Indonesia masih menggunakan perlakuan seragam atau URT
(Uniform Rate Technology). Teknologi ini menganggap bahwa tanah sebagai
lahan pertanian memiliki kondisi yang seragam, sehingga kegiatan pemupukan
dilakukan secara seragam. Sedangkan kondisi area pada suatu lahan yang
sebenarnya adalah berbeda-beda, yang menyebabkan perbedaan akan kebutuhan
pupuk, sehingga metode URT tidak efisien. Saat ini telah diterapkan VRT
(Variable Rate Technology), sebagai komponen dari pertanian presisi (precision
farming) di mana faktor ketepatan dalam kegiatan pertanian sangatlah penting dan
berpengaruh dalam produksi pertanian, dengan pendekatan tepat dosis, tepat
lokasi dan tepat waktu. Aplikasi tepat dosis yaitu pemberian dosis yang tepat
berdasarkan kebutuhan tanaman. Hal ini memerlukan peralatan VRA (Variabel
Rate Aplicator. Aplikasi tepat lokasi yaitu lokasi pemberian pupuk dan pestisida
yang tepat. Hal ini memerlukan teknologi DGPS (Differential Global Positioning
System) dan GIS (Geografis Information System) atau alat penentu posisi lainnya.
Adapun aplikasi tepat waktu memerlukan data-data tanah dan tanaman.

Penelitian ini bertujuan untuk 1) membuat sistem penjatah untuk
mengontrol output prototipe mesin pemupuk laju variabel, 2) mengembangkan
prototipe mesin pemupuk butiran 4 baris yang dapat memberikan output dosis
yang berbeda-beda secara otomatis, 3) mendapatkan data kinerja lapangan akurasi
penjatahan pupuk dari prototipe mesin pemupuk butiran laju variabel.
Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini antara lain, alat-alat
konstruksi seperti mesin bor, las, bubut, dan gergaji. Alat uji berupa timbangan,
stopwatch, meteran, taktor (transplanter) laptop dan lain sebagaianya. Bahan yang
digunakan yaitu DT-AVR ATmega 128L, pupuk Urea, SP-36 dan NPK. Desain,
pembuatan dan pengujian stasioner dilakukan di Laboratorium Mekatronika dan
Robotika bagian Teknik Mesin dan Otomasi Departemen Teknik Mesin dan
Biosistem, Pengujian lapangan dilakukan di Laboratorium Lapangan Siswadi
Soepardjo IPB.
Sistem kontrol terdiri dari modul DT-AVR ATmega 128L yang akan
memberikan perintah pengendalian kecepatan dengan pwm ke SPC motor
Controller dan selanjutnya akan menggerakkan motor DC melalui EMS 30 A HBridge, pada motor DC, dipasang rotary encoder 200 pulsa yang terhubung ke
DT-AVR ATmega 128L. Pada modul DT-AVR ATmega 128L, telah ditanamkan
program untuk mengolah data pulsa dari rotary encoder menjadi data kecepatan,
dengan menggunakan kontrol PID, data ini akan digunakan untuk memberikan
nilai pwm sehingga kecepatan motor DC dapat dipertahankan pada setpoin

tertentu, motor DC ini merupakan penggerak metering device. penentuan
parameter Kp, Ti dan Td untuk kontrol PID menggunakan metode internal
control. data kecepatan direkam setiap 20 ms. Hasil pembacaan oleh mikrokontrol
dikirim ke komputer dengan komunikasi serial RS232. Metering device terdiri

4

dari dua buah rotor berbentuk roda bintang, dengan 6 alur, tebal 20 mm, diameter
rotor 58 mm dan jari-jari alur 13 mm. Dua buah rotor ini dipasang bergeser
dengan sudut rotor 30o.
Pengujian stasioner meliputi identifikasi sistem, pengujian kinerja kontrol
dan kalibrasi mesin pemupuk. Sedangkan pengujian lapangan meliputi kinerja
sensor posisi dan juga kinerja aplikasi mesin pemupuk.
Hasil identifikasi sistem memberikan nilai koefisien berturut-turut Kp, Ti
dan Td pada motor 1 adalah 0.289, 0.026 dan 0.03, untuk motor 2 adalah 0.282,
0.026 dan 0.004, untuk motor 3 adalah 0.378, 0.038 dan 0.004, untuk motor 4
adalah 0.311, 0.027 dan 0.003. pengujian kinerja kontrol menunjukkan bahwa
koefisen kontrol PID yang diperoleh dengan menggunakan metode internal
control memberikan pengontrolan yang mampu mempertahankan kecepatan
motor pada setpoin yang diberikan.

Hasil kalibrasi menunjukan bahwa penggunaan rotor ganda mampu
menggandakan laju keluaran jika dibandingkan dengan penggunaan rotor tunggal,
laju keluaran untuk penggunaan rotor tunggal pada pupuk urea berturut-turut pada
motor 1, 2, 3, dan 4 adalah. 0.624, 0.926, 0.526, dan 0.797 g/putaran, pada pupuk
SP-36 adalah 1.434, 2.141, 1.568, dan 1.760 g/putaran. Untuk pupuk NPK adalah
0.958, 1.591, 0.85, dan 1.19 g/putaran. Sedangkan pada penggunaan rotor ganda,
berturut-turut untuk pupuk urea 1.266, 2.035, 1.232, dan 1.946 g/putaran, untuk
SP-36 adalah 2.58, 4.057, 3.419, dan 3.612 g/putaran, untuk NPK adalah 1.894,
2.603, 1.857, dan 2.543 g/putaran.
Hasil pengujian menunjukkan bahwa prototipe yang dirancang mampu
memberikan dosis pemupukan yang sesuai pada lokasi yang telah ditentukan,
dengan rata-rata penyimpangan pada aplikasi berturut-turut pada kebutuhan dosis
50, 100, 150, 200, 250 kg/ha pada pupuk urea adalah -1.67 , 3.33, 0.28, 2.71 dan
1.33 %. Pada pupuk SP-36 adalah -21.67, -5.42, -2.47, -2.71, dan -1.67 %. Pada
pupuk NPK adalah -18.33, -4.17, -4.17, -3.75 dan -2.33 %.

©Hak Cipta milik IPB, tahun 2012
Hak Cipta dilindungi Undang-Undang
Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan
atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan,

penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau
tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan
yang wajar IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis
dalam bentuk apapun tanpa izin IPB

6

DESAIN DAN PENGUJIAN PROTIPE MESIN PEMUPUK
BUTIRAN LAJU VARIABEL EMPAT BARIS UNTUK
PERTANIAN PRESISI

MUHAMMAD TAHIR SAPSAL

Tesis
Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains pada
Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan

SEKOLAH PASCASARJANA

INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2012
8

Penguji Luar Komisi Ujian Tesis : Dr. Ir. I Dewa Made Subrata, M.Agr

Judul Tesis
Nama
NIM
Program Studi

: Desain dan Pengujian Prototipe Mesin Pemupuk Butiran
Laju Variabel Empat Baris untuk Pertanian Presisi
: Muhammad Tahir Sapsal
: F151090051
: Teknik Mesin Pertanian dan Pangan

Disetujui
Komisi Pembimbing

Dr. Ir. Radite P. A. Setiawan, M.Agr
Ketua

Dr. Ir. Wawan Hermawan, M.S
Anggota

Diketahui

Ketua Program Studi
Teknik Mesin Pertanian dan Pangan

Dekan Sekolah Pascasarjana

Dr. Ir. Setyo Pertiwi, M.Agr

Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr

Tanggal Ujian : 24 Januari 2012

Tangggal Lulus :

10

PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala nikmat
yang dikaruniakan kepada penulis sehingga penelitian dengan judul “ Desain dan
Pengujian Prototipe Mesin Pemupuk Butiran Laju Variabel Empat Baris untuk
Pertanian Presisi” dapat penulis selesaikan.
Hasil penelitian ini telah dipublikasikan di seminar Perhimpunan Teknik
Pertanian di Universitas Padjajaran Bandung pada tanggal 8 Desember 2011
dengan judul “Mesin Pemupuk Presisi Laju Variabel Berbasis Mikrokontroler”.
Dengan segenap kerendahan hati, penulis mengucapkan terima kasih kepada
Dr. Ir. Radite P. A. Setiawan, M.Agr dan Dr. Ir. Wawan Hermawan, MS selaku
komisi pembimbing yang siap meluangkan waktu dan memberikan arahan dalam
pelaksanaan penelitian ini. Kepada Dr. Ir. I Dewa Made Subrata, M.Agr selaku
penguji luar komisi, yang telah memberikan masukan untuk penyempurnaan
laporan penelitian ini. Ucapan terimakasih juga disampaikan kepada Direktorat
Pendidikan Tinggi, Kemendiknas atas bantuan dana penelitian melalui Project IMHERE IPB B.2.c. Ungkapan terima kasih juga penulis ucapkan kepada temanteman penelitian : Pandu dan Adi, TMP 2009 : Agus, Furqan, Miftahuddin,
Syafriandi dan Adian, teman-teman di cyber Merpati : Priyo dan Tanto dan juga

kepada teman-teman kosan : Pak Ikbal, Pak Anwar, Fadli dan Ginan atas bantuan
dan dukungannya selama penelitian ini berlangsung dan selalu saling berbagi dan
saling mengingatkan.
Cinta dan rasa terima kasih penulis sampaikan kepada Ibu dan Ayah yang
telah mendidik dan membesarkan kami serta atas doa dan dukungannya dalam
segala hal. Terima kasih juga untuk sauadara-saudari dan keluarga penulis yang
senantiasa memberikan semangat dan bantuannya.
Penulis berharap semoga hasil
penelitian ini bermanfaat bagi
pengembangan dan pemanfaatan ilmu pengetahuan .
Bogor,

Februari 2012

Penulis

12

RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Pinrang pada tanggal 16 Juli 1984, sebagai putra ke
dua dari lima bersaudara dari pasangan Bapak H. Mahmud Sapsal dan Ibu Hj. St.
Fatimah.
Penulis lulus dari Madrasah Aliyah Negeri 1 Makassar Sulawesi Selatan
pada tahun 2002. Pada tahun yang sama penulis melanjutkan pendidikan Sarjana
(S1) dan diterima pada Program Studi Teknik Pertanian Fakultas Pertanian
Universitas Hasanuddin Makassar melalui jalur Selesksi Penerimaan Mahasiswa
Baru (SPMB).
Selama menempuh pendidikan Sarjana, Penulis pernah menjadi Asisten
mata kuliah Pengantar Komputer dan juga sebagai Koordinator asisten mata
kuliah Pemrograman Komputer dan mata kuliah Simulasi dan Permodelan. Pada
tahun 2008, penulis lulus dari program sarjana (S1), dan dipercayakan untuk
menjadi teknisi jaringan pada Jurusan Teknologi Pertanian Unhas. Selain itu
penulis juga menjadi operator GIS di Pusat Penelitian Sumber Daya Alam dan
Kelautan (PPSDAK) LP Unhas sebagai tenaga lepas. Pada tahun 2009 penulis
melanjutkan Pendidikan S2 di Sekolah Pascasarjana IPB pada program studi
Teknik Mesin Pertanian dan Pangan.

14

DAFTAR ISI

Halaman
DAFTAR ISI ........................................................................................................ xi
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xiii
DAFTAR TABEL ............................................................................................... xv
DAFTAR LAMPIRAN ..................................................................................... xvii
PENDAHULUAN ................................................................................................ 1
Latar Belakang .................................................................................................. 1
Rumusan Masalah ............................................................................................. 3
Tujuan ................................................................................................................ 4
Kegunaan ........................................................................................................... 4
TINJAUAN PUSTAKA ....................................................................................... 5
Pemupukan ........................................................................................................ 5
Pertanian Presisi ................................................................................................ 7
Variable Rate Aplicator................................................................................... 11
Mikrokontroler ................................................................................................ 13
Rotary Encoder ................................................................................................ 15
Karekteristik Pupuk ......................................................................................... 17
Pupuk Urea .................................................................................................. 17
Pupuk SP-36 ................................................................................................ 18
Pupuk NPK/Phonska.................................................................................... 18
METODE PENELITIAN .................................................................................... 21
Tempat dan Waktu .......................................................................................... 21
Alat dan Bahan ................................................................................................ 21
Tahapan Penelitian .......................................................................................... 22
Pendekatan Rancangan .................................................................................... 25
Rancangan Fungsional ................................................................................. 25
Rancangan Struktural ................................................................................... 26
Prosedur Pengujian .......................................................................................... 29
Identifikasi Sistem ....................................................................................... 29
Pengujian Kinerja Kontrol ........................................................................... 30
Pengujian Stasioner...................................................................................... 30
Prosedur Pengujian Lapangan ..................................................................... 31
Respon Prototipe Mesin Pemupuk Terhadap Lokasi ................................... 32
HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................................... 33
Rancangan Prototipe Mesin Pemupuk ............................................................ 33
Pengujian Karakteristik Pupuk ........................................................................ 34
Identifikasi Sistem ........................................................................................... 35
Pengujian Kinerja Kontrol............................................................................... 38
Uji Stasioner Prototipe Mesin Pemupuk ......................................................... 42
Pengujian Urea dengan Rotor Tunggal ........................................................ 43
Pengujian Urea dengan Rotor Ganda........................................................... 46

xi

Pengujian SP-36 dengan Rotor Tunggal ...................................................... 48
Pengujian SP-36 dengan Rotor Ganda ......................................................... 50
Pengujian NPK dengan Rotor Tunggal ........................................................ 52
Pengujian NPK dengan Rotor Ganda ........................................................... 55
Uji Lapangan .................................................................................................... 60
Rangka Hopper ............................................................................................ 60
Sensor Roda Penggerak ................................................................................ 60
Pengujian Aplikasi di Lahan ........................................................................ 61
Penyesuaian Dosis Berdasarkan Massa Jenis.............................................. 66
KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................................... 73
Kesimpulan ...................................................................................................... 73
Saran .............................................................................................................. 73
DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 75

xii

DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 1 Variable Rate Fertilizer Applicator ..................................................... 11
Gambar 2 Konfigurasi pin ATmega 128 .............................................................. 14
Gambar 3 Blok diagram ATmega 128 ................................................................. 15
Gambar 4 Susunan pola 16 cincin konsentris pada absolut encoder ................... 16
Gambar 5 Bentuk dan sinyal output incremental rotary encoder ...................... 17
Gambar 6 Bentuk fisik pupuk .............................................................................. 19
Gambar 7 Bagan alir proses penelitian ................................................................ 22
Gambar 8 Lay out alat .......................................................................................... 23
Gambar 9 Bentuk rotor......................................................................................... 26
Gambar 10 Bentuk hopper .................................................................................... 27
Gambar 11 Sistem VR applicator ......................................................................... 27
Gambar 12 Prototipe mesin pemupuk ................................................................... 33
Gambar 13 Pemasangan rotary encoder pada motor DC ...................................... 34
Gambar 14 Perbandingan antara nilai pwm dan kecepatan motor ........................ 36
Gambar 15 Fitting nilai K, T dan d ....................................................................... 37
Gambar 16 Diagram skematik kontrol motor secar digital ................................... 38
Gambar 17 Kecepatan motor berdasarkan setpoin yang diberikan ....................... 39
Gambar 18 Kecepatan motor berdasarkan setpoin dengan nilai Kp
dan Ti rendah ...................................................................................... 40
Gambar 19 Kecepatan motor berdasarkan setpoin dengan nilai Kp
dan Ti tinggi ....................................................................................... 41
Gambar 20 Skema pengujian stasioner ................................................................. 43
Gambar 21 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk urea dan putaran
motor dengan kecepatan aliran urea rotor tunggal pada motor 1 ....... 44
Gambar 22 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk urea dan putaran
motor dengan kecepatan aliran urea rotor tunggal pada motor 2 ....... 44
Gambar 23 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk urea dan putaran
motor dengan kecepatan aliran urea rotor tunggal pada motor 3 ....... 45
Gambar 24 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk urea dan putaran
motor dengan kecepatan aliran urea rotor tunggal pada motor 4 ....... 45
Gambar 25 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk urea dan putaran
motor dengan kecepatan aliran urea rotor ganda pada motor 1 ......... 46
Gambar 26 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk urea dan putaran
motor dengan kecepatan aliran urea rotor ganda pada motor 2 ......... 46
Gambar 27 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk urea dan putaran
motor dengan kecepatan aliran urea rotor ganda pada motor 3 ......... 47
Gambar 28 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk urea dan putaran
motor dengan kecepatan aliran urea rotor ganda pada motor 4 ......... 47
Gambar 29 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk SP-36 dan putaran
motor dengan kecepatan aliran SP-36 rotor tunggal pada motor 1 .... 48
Gambar 30 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk SP-36 dan putaran
motor dengan kecepatan aliran SP-36 rotor tunggal pada motor 2 .... 48
Gambar 31 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk SP-36 dan putaran
motor dengan kecepatan aliran SP-36 rotor tunggal pada motor 3 .... 49
xiii

Gambar 32 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk SP-36 dan putaran
motor dengan kecepatan aliran SP-36 rotor tunggal pada motor 4 .... 49
Gambar 33 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk SP-36 dan putaran
motor dengan kecepatan aliran SP-36 rotor ganda pada motor 1 ....... 50
Gambar 34 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk SP-36 dan putaran
motor dengan kecepatan aliran SP-36 rotor ganda pada motor 2 ....... 50
Gambar 35 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk SP-36 dan putaran
motor dengan kecepatan aliran SP-36 rotor ganda pada motor 3 ....... 51
Gambar 36 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk SP-36 dan putaran
motor dengan kecepatan aliran SP-36 rotor ganda pada motor 4 ....... 51
Gambar 37 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk NPK dan putaran
motor dengan kecepatan aliran NPK rotor tunggal pada motor 1 ...... 52
Gambar 38 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk NPK dan putaran
motor dengan kecepatan aliran NPK rotor tunggal pada motor 2 ...... 53
Gambar 39 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk NPK dan putaran
motor dengan kecepatan aliran NPK rotor tunggal pada motor 3 ...... 53
Gambar 40 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk NPK dan putaran
motor dengan kecepatan aliran NPK rotor tunggal pada motor 4 ...... 54
Gambar 41 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk NPK dan putaran
motor dengan kecepatan aliran NPK rotor ganda pada motor 1 ......... 55
Gambar 42 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk NPK dan putaran
motor dengan kecepatan aliran NPK rotor ganda pada motor 2 ......... 55
Gambar 43 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk NPK dan putaran
motor dengan kecepatan aliran NPK rotor ganda pada motor 3 ......... 56
Gambar 44 Grafik hubungan waktu dengan keluaran pupuk NPK dan putaran
motor dengan kecepatan aliran NPK rotor ganda pada motor 4 ......... 56
Gambar 45 Prototipe mesin pemupuk pada aplikasi di lapangan .......................... 60
Gambar 46 Skema pengujian lapangan ................................................................. 61
Gambar 47 Kebutuhan dosis dan aplikasi dosis aktual urea ................................. 62
Gambar 48 Kebutuhan dosis dan aplikasi dosis aktual SP-36 .............................. 63
Gambar 49 Kebutuhan dosis dan aplikasi dosis aktual NPK ................................ 64
Gambar 50 Kebutuhan dosis dan aplikasi urea dengan penyesuaian
massa jenis .......................................................................................... 66
Gambar 51 Kebutuhan dosis dan aplikasi SP-36 dengan penyesuaian
massa jenis .......................................................................................... 67
Gambar 52 Kebutuhan dosis dan aplikasi NPK dengan penyesuaian
massa jenis .......................................................................................... 69

xiv

DAFTAR TABEL

Halaman
Tabel 1
Tabel 2
Tabel 3
Tabel 4
Tabel 5
Tabel 6
Tabel 7

Karakteristik pupuk Urea ........................................................................ 17
Karakteristik pupuk SP-36 ...................................................................... 18
Karakteristik pupuk NPK/Phonska ......................................................... 18
Distribusi ukuran dan massa jenis pupuk urea, SP-36 dan NPK ............ 34
Nilai konstanta K, T dan d masing-masing motor .................................. 37
Nilai koefisien Kp, Ti dan Td masing-masing motor ............................. 38
Nilai parameter pada pengurangan Kp, Ti dan Td masing-masing
motor........................................................................................................ 41
Tabel 8 Nilai parameter pada penambahan Kp, Ti dan Td masing-masing
motor........................................................................................................ 42
Tabel 9 Nilai konstanta kalibrasi dengan rotor tunggal ...................................... 57
Tabel 10 Nilai konstanta kalibrasi dengan rotor ganda ......................................... 57
Tabel 11 Hasil perhitungan dosis berdasarkan setpoin pada rotor tunggal ........... 58
Tabel 12 Hasil perhitungan dosis berdasarkan setpoin pada rotor ganda ............. 58
Tabel 13 Nilai setpoin dengan konstanta kalibrasi pada rotor tunggal ................. 59
Tabel 14 Nilai setpoin dengan konstanta kalibrasi pada rotor ganda.................... 59
Tabel 15 Perbandingan kebutuhan dan dosis aktual pada aplikasi pupuk urea .... 65
Tabel 16 Perbandingan kebutuhan dan dosis aktual pada aplikasi pupuk SP-36 . 65
Tabel 17 Perbandingan kebutuhan dan dosis aktual pada aplikasi pupuk NPK ... 65
Tabel 18 Perbandingan kebutuhan dan dosis aktual pada aplikasi pupuk urea
setelah massa jenis disesuaikan ............................................................... 70
Tabel 19 Perbandingan kebutuhan dan dosis aktual pada aplikasi pupuk SP-36
setelah massa jenis disesuaikan ............................................................... 70
Tabel 20 Perbandingan kebutuhan dan dosis aktual pada aplikasi pupuk NPK
setelah massa jenis disesuaikan ............................................................... 70

xv

xvi

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman
Lampiran 1 Rangka Hopper ................................................................................. 79
Lampiran 2 Rotor ................................................................................................. 80
Lampiran 3 Hopper .............................................................................................. 81
Lampiran 4 DT-AVR ATmega128L.................................................................... 82
Lampiran 5 SPC Motor Controller ...................................................................... 83
Lampiran 6 EMS 30A H-Bridge .......................................................................... 84
Lampiran 7 Program identifikasi sistem .............................................................. 85
Lampiran 8 Program pengujian kinerja kontrol ................................................... 91
Lampiran 9 Program pengujian lapang .............................................................. 102
Lampiran 10 Kode program RtMSi 2011 Serial Port ......................................... 118
Lampiran 11 Tampilan program RtMSi 2011 serial port.................................... 125
Lampiran 12 Kode program SoRtMSi 2011 ....................................................... 126
Lampiran 13 Tampilan program Scale of RtMSi 2011 serial port ..................... 132

xvii

xviii

PENDAHULUAN
Latar Belakang
Kebutuhan bahan pangan semakin meningkat seiring dengan pertumbuhan
penduduk. Untuk memenuhi kebutuhan tersebut, diperlukan peningkatan produksi
pertanian di mana dalam kegiatan pertanian membutuhkan lahan yang mampu
untuk menyuplai kebutuhan hara tanaman dan juga tanaman perlu dilindungi dari
serangan hama agar produksi pertanian dapat ditingkatkan.

Kebutuhan hara

tanaman dapat disuplai dari pupuk dan untuk perlindungan dari hama
menggunakan pestisida, namun dalam pengaplikasiannya, khususnya di
Indonesia, masih menggunakan perlakuan seragam atau URT (Uniform Rate
Technology), teknologi ini menganggap bahwa tanah sebagai lahan pertanian
memiliki kondisi yang seragam, baik sifat kimia seperti kandungan hara/nutrisi
dan pH tanah maupun sifat fisik seperti tekstur dan struktur tanah, sehingga
kegiatan pertanian seperti pengolahan tanah, penanaman, pemeliharaan dan
pemupukan dilakukan secara seragam. Tentu saja hal ini sangat tidak efisien,
karena memberikan porsi yang sama pada setiap lahan, padahal dalam satu lahan
memiliki kebutuhan yang berbeda-beda.
Kondisi area pada suatu lahan yang berbeda-beda, menyebabkan perbedaan
akan kebutuhan, baik itu pupuk pestisida, maupun air, untuk mensuplai kebutuhan
tanaman, sehingga dengan pengaplikasian metode URT, respon tanaman terhadap
input, misalnya pupuk akan berbeda, akan ada tanaman yang masih mengalami
kekurangan, ada pula yang kelebihan dosis, sehingga pertumbuhan tanaman
menjadi tidak seragam. Tanaman yang masih kekurangan unsur hara akan
mengalami pertumbuhan yang tidak optimal, sedangkan tanaman yang kelebihan
dosis juga akan berpengaruh buruk pada tanaman, contohnya tanaman yang
kelebihan nitrogen, tanaman akan tampak terlalu subur, ukuran daun menjadi
lebih besar, batang menjadi lunak dan berair sehingga mudah rebah dan mudah
diserang penyakit, dapat pula menunda pembentukan bunga, bahkan bunga yang
telah terbentuk lebih mudah rontok, tentu saja hal ini akan mengurangi produksi
dari tanaman.

2

Perlakuan seragam juga berpengaruh buruk pada lingkungan, karena bahan
kimia yang berlebihan akan meracuni air tanah, dan dapat merusak kondisi tanah.
Sisa bahan kimia yang tidak terserap akan mencemari lingkungan sekitarnya,
seperti daerah yang berada di aliran sungai, dimana sisa bahan kimia dari
pemupukan maupun penggunaan pestisida akan terbawa ke sungai dan selanjutnya
akan mengalir ke outlet yang dapat berupa laut atau danau, yang biasa digunakan
oleh manusia dan tentu saja juga akan mempengaruhi kehidupan hewan atau
tumbuhan yang berada pada sungai atau danau.
Teknologi yang ada saat ini memungkinkan untuk melakukan efisiensi,
dimana pemberian input disesuaikan dengan kebutuhan tanaman, sehinga dapat
menghindari adanya kelebihan ataupun kekurangan dosis, baik dalam hal
pemupukan, penggunaan pestisida, pengaturan air irigasi dan lainnya. Di Negara
maju telah digunakan sistem pertanian presisi (precision farming ) dimana faktor
ketepatan dalam kegiatan pertanian sangatlah penting dan berpengaruh dalam
produksi pertanian. Presisi ini mulai dari penanaman, pemberian pupuk,
pemberantasan hama, sampai dengan pemanenan. Salah satu komponen dari
pertanian presisi yaitu penggunaan perlakuan tidak seragam atau VRT (Variable
Rate Technology) yang dapat digunakan untuk memberikan dosis pemupukan
yang sesuai dengan kebutuhan, dan dapat digunakan untuk menggantikan metode
URT.
VRT merupakan aplikasi pertanian presisi atau biasa juga disebut sitespecific crop management dengan pendekatan tepat dosis, tepat lokasi dan tepat
waktu. Aplikasi tepat dosis yaitu pemberian dosis yang tepat berdasarkan
kebutuhan tanaman, hal ini memerlukan peralatan VRA (Variabel Rate Aplicator)
yang dapat mengontrol dosis penggunaan pupuk dan pestisida. Aplikasi tepat
lokasi yaitu lokasi pemberian pupuk dan pestisida yang tepat, hal ini memerlukan
teknologi DGPS (Differential Global Positioning System) dan GIS (Geografis
Information System) yang berfungsi sebagai navigator dalam menentukan posisi
alat saat bekerja di lahan. Dan aplikasi tepat waktu yaitu waktu yang tepat untuk
pemberian pupuk atau pestisida pada tanaman, dimana hal ini memerlukan
analisis tanah dan tanaman untuk mengumpulkan data-data, baik itu data tentang
kandungan unsur hara dalam tanah, jenis tanaman, dan hal lainnya yang penting

3

dalam penentuan penggunaan pupuk. Selanjutnya data-data tersebut digunakan
untuk menentukan dosis, waktu dan lokasi pemupukan yang tepat. Untuk
memudahkan pengaplikasian teknologi VRT dalam hal pemupukan dilapangan,
dapat digunakan teknologi RTK-DGPS (Real Time Kinematic-Differential Global
Positioning System) yang berfungsi untuk mengontrol alat penebar pupuk yang
telah menggunakan teknologi VRT atau VRA berdasarkan dosis dan lokasi yang
tepat.
Penelitian untuk desain Variable Rate Granular Fertilizer Aplicator telah
dilakukan. Setiawan (2001) melakukan penelitian di Jepang dengan unit kontrol
berupa komputer desktop yang dipasang di traktor. Loghavi dan Forouzanmehr
(2010) telah melakukan penelitian di Iran, dengan metering device tipe screw
yang digerakkan oleh motor stepper. Unit kontrol utama menggunakan ATmega
16 dan untuk mengontrol kecepatan motor menggunakan ATmega 8, dengan
kapasitas 175 kg/ha. Azis (2011) melakukan penelitian dengan pengontrolan pada
kecepatan metering device. Di mana penentuan parameter kontrol PID dilakukan
dengan metode Zeigler-Nichols dan ternyata tidak memberikan pengontrolan yang
cukup presisi. Selain itu, pada penggunaan rotor ganda, tidak mampu mengatasi
beban yang diberikan, sehingga laju keluaran pupuk hanya mengalami
peningkatan yang kecil dibandingkan dengan penggunaan rotor tunggal. Untuk itu
perlu dikembangkan mesin pemupuk yang unit kontrolnya sederhana, dengan
kapasitas pemupukan lebih besar dan dengan sistem kontrol yang lebih presisi.
Rumusan Masalah
Efisiensi dalam pemupukan merupakan hal yang sangat penting saat ini,
perlakuan seragam dalam aplikasi pemupukan akan menyebabkan terjadinya
kondisi pertumbuhan yang tidak seragam, karena ada yang mengalami kelebihan
dosis dan ada pula yang kekurangan, dalam suatu lahan dengan luasan tertentu,
memiliki kondisi lingkungan tumbuh yang berbeda-beda. Selain tidak ekonomis
penggunaan pupuk yang berlebihan dapat menyebabkan terjadinya pencemaran
lingkungan, selain itu bahan kimia yang digunakan dapat terbawa menuju ke
aliran sungai, menguap ke angkasa atau meresap ke ground water sehingga akan
menyebabkan pencemaran dan merugikan bagi manusia.

4

Untuk melakukan efisiensi pemupukan diperlukan teknologi yang dapat
mengaplikasikan dosis pemupukan yang sesuai dengan kebutuhan tanaman,
dengan cara memberikan dosis yang tepat pada lokasi yang tepat. Penerapan
teknologi VRT merupakan solusi untuk mengefisienkan pemupukan. Selain itu
juga dapat mengurangi pengaruh kerusakan lingkungan akibat penggunaan pupuk
yang berlebihan. Penelitian ini akan mengembangkan mesin pemupuk yang dapat
merubah output dosisnya sendiri berdasarkan input lokasi, sehingga mampu
memberikan dosis pemupukan yang berbeda-beda sesuai dengan peta pemupukan
dan juga lokasi yang ditunjukkan oleh sensor posisi.
Tujuan
Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk :
1. Membuat sistem penjatah untuk mengontrol output prototipe mesin pemupuk
laju variabel.
2. Mengembangkan prototipe mesin pemupuk butiran 4 baris yang dapat
memberikan output dosis yang berbeda-beda secara otomatis.
3. Mendapatkan data kinerja lapangan akurasi penjatahan pupuk dari prototipe
mesin pemupuk butiran laju variabel.
Kegunaan
Hasil penelitian ini akan menjadi masukan untuk pengembangan lebih lanjut
desain alat penebar pupuk VRT dan dapat diproduksi oleh industri sehingga dapat
digunakan untuk pertanian di Indonesia.

TINJAUAN PUSTAKA
Pemupukan
Keseimbangan unsur hara dalam tanah perlu dipertahankan, untuk menjaga
agar terpeliharanya kesuburan tanah. Keseimbangan secara alami terjadi di bawah
hutan perawan yang belum ada campur tangan manusia, karena proses pengayaan
hara terus berlangsung. Dengan bertambahnya penduduk, permintaan akan lahan
pertanian selalu meningkat. Hutan selalu menjadi sasaran utama untuk
pengembangan lahan. Dengan demikian keseimbangan unsur hara akan
terganggu. Untuk mencukupi unsur hara yang telah hilang dilakukan pemupukan,
yang secara umum bertujuan untuk :
1. Menjaga tetap terpeliharanya keseimbangan unsur hara dalam tanah, karena
setiap pemupukan tidak semua unsur hara hilang dari tanah tersebut.
2. Mengurangi bahaya erosi, karena akibat pemupukan terjadi penumbuhan
vegetative yang baik.
3. Meningkatkan pertumbuhan dan produksi tanaman (Jumin 2005)
Penggunaan pupuk kimia dalam pertanian perlu memperhatikan reaksi
kimia dari pupuk yang digunakan, apakah pupuk yang digunakan mempunyai
sifat mengasamkan atau tidak, pada umumnya pupuk nitrogen yang mengandung
ammonium atau sisa asam seperti sulfat (SO4) bersifat mengasamkan tanah.
Pupuk nitrogen yang mengandung gugusan NH, sebelum tersedia pada tanaman,
terlebih dahulu mengalami proses amonifikasi dan nitrifikasi. Pemupukan pada
tanaman dapat meningkatkan produksi

namun dapat pula merugikan jika

diberikan tidak sesuai. Nitrogen diperlukan tanaman untuk pembentukan protein
serta merupakan bagian integral dari molekul klorofil. Jika terjadi kekurangan
nitrogen, tanaman tumbuh lambat dan kerdil. Daunnnya berwarna hijau muda.
Sementara itu daun-daun yang lebih tua menguning dan akhirnya kering, dalam
tubuh tanaman nitrogen bersifat dinamis sehingga jika terjadi kekurangan nitrogen
pada bagian pucuk, nitrogen yang tersimpan pada daun tua akan dipindahkan ke
organ yang lebih muda. Jika terjadi kelebihan nitrogen, tanaman tampak terlalu
subur, ukuran daun menjadi lebih besar, batang menjadi lunak dan berair sehingga
mudah rebah dan mudah diserang penyakit. Kelebihan nitrogen juga dapat

6

menunda pembentukan bunga, bahkan bunga yang telah terbentuk lebih mudah
rontok (Novisan 2002).
Fosfor adalah unsur hara kedua setelah nitrogen yang sering kali terdapat
kekurangan pada tanah-tanah di Indonesia. Miskinnya tanah akan unsur fosfor
antara lain disebabkan beberapa faktor, antara lain karena pengikisan partikel
tanah akibat erosi, selain itu sifat fosfor yang sangat mudah bereaksi dengan tanah
dan mudah terikat menjadi bentuk yang tidak dapat dimanfaatkan oleh tanaman
(Novisan 2002). Tanaman akan menyerap fosfor dalam bentuk ortofosfat ion
(H2PO4, HPO4). Konsentrasi ion ortofosfat dalam tanah sangat tergantung pada
kemasaman tanah (pH). Selain dipengaruhi oleh kemasaman tanah, ketersediaan
fosfat juga dipengaruhi oleh waktu, temperatur dan jumlah bahan organik yang
tersedia dalam tanah. Waktu yang panjang akan menyebabkan semakin banyak
fosfor terfiksasi oleh tanah. Pada tanah yang mempunyai kemampuan fiksasi
tinggi, masa penggunaan fosfor akan lebih pendek, demikian juga sebaliknya,
sehingga waktu pemberian pupuk fosfat harus mendapat perhatian yang serius.
Iklim panas juga dapat menyebabkan penyerapan fosfor oleh tanah menjadi besar
dibandingkan dengan daerah yang beriklim sedang. Selain itu ketersediaan fosfor
dalam tanah juga dipengaruhi oleh kandungan bahan organik dalam tanah, karena
bahan organik tersebut dapat menyumbangkan fosfor. Manfaat dari pemupukan
fosfat antara lain untuk pembentukan sel-sel, memperbaiki pembentukan benih,
mempercepat pemasakan buah, memperbaiki perakaran, mengurangi kerontokan
buah dan menambah ketahanan terhadap penyakit (Jumin 2005).
Peningkatan pemakaian pupuk nitrogen dan fosfor akan meningkatkan pula
terhadap pupuk kalium. Walaupun unsur kalium dalam tanah masih tergolong
cukup. Pupuk kalium memberikan pengaruh yang nyata pada tanah kering. Tetapi
pada tanah sawah pupuk kalium tidak memperlihatkan pengaruh nyata. Hal ini
disebabkan pada tanah sawah unsur kalium banyak ditambah oleh air irigasi.
Unsur kalium dalam tanah berasal dari pelapukan persenyawaan mineral dan
garam-garam yang mengandung kalium. Kekurangan kalium dapat ditambahkan
dalam bentuk pupuk. Apabila kalium diberikan dalam bentuk pupuk, maka
sebagian kalium akan bergerak ke permukaan liat dan sebagian lagi bergerak ke
larutan tanah. Kalium yang berada pada permukaan liat akan diserap oleh

7

tanaman, sedangkan yang bergerak ke permukaan akan menjadi cadangan kalium.
Bila dibandingkan dengan unsur lain, kalium mempunyai ciri khusus, yaitu jika
terdapat kalium yang berlebih dalam tanah tidak berpengaruh negatif terhadap
tanaman, namun kehilangan kalium dalam tanah jauh lebih besar, karena tanaman
dapat menyerap kalium melebihi dari kebutuhan yang sebenarnya. Serapan kalium
oleh tanaman yang berlebih dari kebutuhannya tidak akan meningkatkan produksi
tanaman, akibatnya terjadi pemborosan penggunaan kalium. Manfaat dari kalium
yaitu memperkuat tanaman, mengurangi efek negatif dari pemupukan nitrogen,
mengatur keseimbangan pupuk nitrogen dan fosfat, menambah bobot biji serealia
dan menambah bernas. (Jumin 2005).
Kebutuhan pupuk tiap jenis tanaman berbeda-beda tergantung dari jenisnya.
Sehingga efesiensi pemupukannya juga berbeda-beda, pada tanaman yang hasil
panennya berupa bagian vegetatif seperti sayuran, unsur hara yang terutama
diperlukan untuk pertumbuhan vegetatif (N) tentu mempunyai efisiensi
pemupukan yang lebih tinggi daripada yang diperlukan untuk perkembangan
generatif (P). pada tanaman padi sawah, misalnya, penyerapan hara N terbanyak
terjadi pada fase pembibitan, pertunasan dan primordia bunga sampai berbunga
(Notohadiprawiro et al. 1984).
Pertanian Presisi
Pertanian presisi merupakan upaya untuk meningkatkan produksi pertanian
dengan mengurangi input produksi yang dilakukan dengan mengoptimalkan
penggunaan input produksi sesuai dengan kebutuhan. Rains dan Thomas (2009)
mengatakan bahwa Pertanian presisi telah muncul sebagai praktek manajemen
dengan potensi untuk meningkatkan keuntungan dengan memanfaatkan informasi
yang lebih akurat tentang sumber daya pertanian. Dalam hal ini mengenai
manajemen variabel input, seperti tingkat aplikasi, pemilihan budidaya, praktek
pengolahan tanah dan penjadwalan irigasi. Manajemen pertanian presisi sesuai
untuk pertanian skala besar melalui pengembangan teknologi baru. Kini teknologi
dalam pertanian presisi telah dikembangkan sehingga informasi di lapangan
(seperti hasil dan tingkat aplikasi) dapat dikontrol dan diamati setiap tiga kaki di
lapangan dengan biaya yang terjangkau bagi petani. Penerapan pestisida di daerah

8

serangan hama, dengan mengurangi jumlah pestisida yang digunakan yang
berpotensi memberikan dampak buruk bagi lingkungan. Pupuk dan kapur dapat
diterapkan hanya bila diperlukan. Populasi tanaman dapat dipilih untuk
mengoptimalkan nutrisi tanah, dan pemilihan jenis-jenis tanaman untuk
memanfaatkan kondisi lahan yang tersedia. Tanaman juga dapat dipetakan untuk
mengetahui daerah yang menghasilkan produksi yang tinggi atau rendah yang
selanjutnya dapat digunakan untuk mengambil keputusan dengan manajeman
yang baik. Menurut Arnholt et al. (2001) bahwa pertanian presisi merupakan
sistem pertanian yang didesain untuk memberikan data dan informasi bagi petani
sehingga dapat membantu dalam membuat suatu keputusan-keputusan pengolahan
tanah berdasarkan lokasi. Dengan informasi ini, pertanian dapat menjadi lebih
efisien, memungkinkan penggunaan biaya yang lebih kecil dan lebih
menguntungkan serta mengurangi dampak buruk terhadap lingkungan.
Ada lima komponen teknologi yang digunakan dalam pertanian presisi,
yaitu Geographical Information System (GIS), Global Positioning System (GPS),
sensors, variable rate technology, dan, yield monitoring (Rains dan Thomas
2009).
1.

GIS mengacu kepada perangkat lunak komputer yang menyediakan
penyimpanan data, pengambilan, dan transformasi data spasial. Perangkat
lunak GIS untuk pengelolaan pertanian presisi akan menyimpan data, seperti
jenis tanah, kondisi nutrisi tanah, dan lainnya, dan menetapkan informasi
tersebut dalam bidang lokasi tertentu (Rains dan Thomas 2009).

2.

GPS adalah jantung dari pertanian presisi (Searcy 1997).

Sistem ini

bertanggung jawab dalam merekam lokasi mesin ketika bergerak di lahan,
posisi dan hasil pengukuran direkam secara simultan yang dapat
menghasilkan gambar berupa peta. Informasi posisi yang diberikan dapat
ditingkatkan akurasinya dengan koreksi sinyal Differential GPS (DGPS),
Kecepatan maju alat juga dapat diukur menggunakan penerima DGPS,
dimana akurasi pengukuran kecepatan maju oleh DGPS terutama ditentukan
oleh kualitas penerima yang digunakan dan juga kecepatan alat, dan
pengukuran tidak akan akurat untuk

kecepatan mesin yang lambat

9

(