Pengembangan Sistem Kendali Irigasi Untuk Budidaya Padi Sri (System Of Rice Intensification) Yang Ramah Lingkungan
PENGEMBANGAN SISTEM KENDALI IRIGASI UNTUK
BUDIDAYA PADI SRI (SYSTEM OF RICE INTENSIFICATION)
YANG RAMAH LINGKUNGAN
RILSAN MALKHI PANDAPOTAN
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER
INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Pengembangan Sistem
Kendali Irigasi untuk Budidaya Padi SRI (System of Rice Intensification) yang
Ramah Lingkungan adalah benar 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 skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Januari 2016
Rilsan Malkhi Pandapotan
F44110077
ABSTRAK
RILSAN MALKHI PANDAPOTAN. Pengembangan Sistem Kendali Irigasi untuk
Budidaya Padi SRI (System Of Rice Intensification) yang Ramah Lingkungan.
Dibimbing oleh YUDI CHADIRIN dan CHUSNUL ARIF.
Pengembangan budidaya padi berkelanjutan di masa depan memiliki banyak
tantangan dan salah satunya adalah masalah penyediaan air. SRI (system of rice
intensification) merupakan salah satu metode yang mampu menjawab tantangan
tersebut. Tujuan penelitian ini adalah mengembangkan sistem kendali fuzzy yang
mengatur secara otomatis tinggi muka air di lahan untuk budidaya padi metode SRI
dan melakukan evaluasi performa sistem kendali fuzzy untuk menghemat
penggunaan air dengan mempertimbangkan pengaruh cuaca. Penelitian dilakukan
di Cikarawang, Dramaga – Bogor, dari bulan Maret - September 2015. Sistem
kendali dikembangkan dengan defuzzifikasi metode Sugeno dan microcontroller
arduino uno. Pemantauan kondisi cuaca dan tanah dilakukan sepanjang musim
tanam. Pada uji skala laboratorium seluruh hasil menunjukkan MAPE (mean
absolute percentage error) < 25 %. Selanjutnya nilai tinggi muka air, air teraplikasi
dan air yang terbuang dihitung berdasarkan skala lapang secara simulasi. Dari hasil
penelitian ternyata sistem kendali mampu menghemat air 3-21% dibandingkan
sistem tata air konvensional yang ditetapkan oleh petani.
Kata kunci: arduino, sistem kendali fuzzy, metode Sugeno, system of rice
intensification, tinggi muka air
ABSTRACT
RILSAN MALKHI PANDAPOTAN. Development of Irrigation Control System
for Environmentally Friendly System of Rice Intensification Cultivation.
Supervised by YUDI CHADIRIN and CHUSNUL ARIF.
The development of sustainable rice cultivation in the future has many challenges
and one of them is water supply. SRI (system of rice intensification) is one of
solution for that challenge. The purpose of this research were to develop a fuzzy
control system that control water level in the field for paddy cultivation by SRI
method and to evaluate the system performance for water-saving based on weather
condition. The research was done in Cikarawang, Dramaga - Bogor from March September 2015. Control system was developed using Sugeno defuzzification
method and microcontroller arduino uno. Weather and soil condition had been
monitored continuously during cultivation period. All result in laboratory scale test
showed MAPE (mean absolute percentage error) < 25%. Next, water level, applied
water and drained water were calculated based on field scale by simulation. The
result showed that the computerized system could save 3-21% of water compare to
farmer’s conventional water management method.
Keywords: arduino, fuzzy control system, Sugeno method, system of rice
intensification, water level
PENGEMBANGAN SISTEM KENDALI IRIGASI UNTUK
BUDIDAYA PADI SRI (SYSTEM OF RICE INTENSIFICATION)
YANG RAMAH LINGKUNGAN
RILSAN MALKHI PANDAPOTAN
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
pada
Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2016
Judul : Pengembangan Sistem Kendali Irigasi Untuk Budidaya Padi SRI (System
of Rice Intensification) yang Ramah Lingkungan
Nama : Rilsan Malkhi Pandapotan
NIM : F44110077
Disetujui oleh
Dr. Chusnul Arif, STP, M.Si
Pembimbing II
Dr. Yudi Chadirin, S.TP, M.Agr
Pembimbing I
Diketahui oleh
Dr. Ir.Nora Pandjaitan, DEA
Ketua Departemen
Tanggal Lulus :
PRAKATA
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena berkat dan rahmatnya
karya ilmiah yang berjudul “Pengembangan Sistem Kendali Irigasi untuk Budidaya
Padi SRI (System of Rice Intensification) yang Ramah Lingkungan” dapat
diselesaikan. Karya ilmiah ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik dan proses penelitian telah dilaksanakan sejak bulan Maret sampai
bulan September 2015.
Pada kesempatan ini disampaikan terima kasih kepada :
1. Dr. Yudi Chadirin, S.TP, M.Agr dan Dr. Chusnul Arif, STP, M.Si sebagai dosen
pembimbing skripsi yang telah banyak memberikan arahan dan ilmu dalam
penulisan laporan penelitian ini.
2. Dr. Rudiyanto S.TP, M.Si selaku dosen penguji yang telah memberi masukan
kepada penulis.
3. Bapak Paingot Sidauruk, Ibu Rosti Sibarani, Putra Harry, dan Rodo Yafo,
keluarga saya yang telah menyayangi, memberikan motivasi, dan insipirasi setiap
hari.
4. Rekan-rekan satu bimbingan tugas akhir : Briza Sibarani, Aulia Azizah, Dyah
Manggandari, Chau A, Chariem, dan Ulya Rufako.
5. Rekan-rekan di Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan Institut Pertanian
Bogor Angkatan 48 (SIL 48) khususnya Hasfan dan Hesekiel.
6. Rekan-rekan camp kopral, rekan-rekan Kopelkhu, dan Combat 48 atas semangat
serta dukungannya.
7. Semua pihak yang telah membantu dalam penelitian dan pembuatan skripsi ini
yang tidak dapat disebutkan satu persatu.
Terdapat banyak kekurangan yang dirasakan dalam penyusunan karya ilmiah
ini, oleh karena itu masukan, baik kritik maupun saran sangat diharapkan untuk
dapat memperbaiki kekurangan yang ada. Semoga hasil penelitian ini dapat
bermanfaat bagi yang memerlukan.
Bogor, Januari 2016
Rilsan Malkhi Pandapotan
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup
TINJAUAN PUSTAKA
Budidaya SRI
Sistem Irigasi
Sistem Kendali Logika Fuzzy
METODE PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian
Alat dan Bahan
Prosedur Penelitian
HASIL DAN PEMBAHASAN
Data Cuaca
Pengembangan Simulasi
Aplikasi Sistem Kendali
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
RIWAYAT HIDUP
iv
iv
iv
1
1
2
2
2
3
3
3
4
4
6
6
6
6
13
13
14
18
20
20
20
20
22
30
DAFTAR TABEL
1 Matriks keputusan untuk keluaran berupa waktu bukaan valve
2 Penggunaan air simulasi aktual sistem
3 Keseimbangan air di masing- masing lahan tanpa sistem kendali
4 Keseimbangan air di masing- masing lahan dengan sistem kendali
5 Penghematan air yang terjadi dari kegunaan sistem kendali
9
17
19
19
20
DAFTAR GAMBAR
1 Himpunan keanggotaan logika fuzzy
2 Skema Keseimbangan air di lahan
3 Himpunan keanggotaan dari masukan error (cm)
4 Himpunan keanggotaan dari masukan delta errorr (cm)
5 Grafik sistem irigasi rezim air tergenang (RT) (Sujono 2011)
6 Grafik sistem irigasi rezim air basah (RB) (Sujono 2011)
7 Grafik sistem irigasi rezim rezim air kering (RK)
8 Skema sistem kendali tinggi muka air di lahan
9 Proses defuzzifikasi dengan program MATLAB
10 Pengamatan kondisi tanah dan cuaca pada rezim tergenang
11 Pengamatan kondisi tanah dan cuaca pada rezim basah
12 Pengamatan kondisi tanah dan cuaca pada rezim kering
13 Kalibrasi sensor tinggi muka air E-Tape 30 rezim tergenang
14 Kalibrasi sensor tinggi muka air E-Tape 30 rezim basah
15 Kalibrasi sensor tinggi muka air E-Tape 30 rezim kering
16 Kalibrasi sensor tinggi muka air E-Tape 30 Arduino
17 Simulasi aktual untuk untuk budidaya rezim tergenang
18 Simulasi aktual untuk untuk budidaya rezim basah
19 Simulasi aktual untuk untuk budidaya rezim kering
20 Simulasi lapang budidaya rezim tergenang
21 Simulasi lapang budidaya rezim basah
22 Simulasi lapang budidaya rezim basah
5
7
9
9
10
10
11
12
12
13
13
14
15
15
15
15
16
16
17
18
18
19
DAFTAR LAMPIRAN
1 Diagram proses penelitian
2 Foto rangkaian alat
3 Bahasa pemrograman kendali di Arduino
4 Persamaan dari fungsi keanggotaan input dan output
5 Contoh perhitungan manual sistem
22
24
25
27
28
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Komoditas padi merupakan komoditas pertanian yang paling banyak
dikonsumsi di Indonesia. Kepopuleran komoditas padi membuat padi menjadi
kebutuhan pokok di Indonesia. Menurut data Badan Pusat Statistik (BPS) jumlah
penduduk di Indonesia 237,641,326 jiwa pada tahun 2010 dan akan bertambah
sampai lebih dari 300 juta jiwa pada 2035 (BPS 2014). Data ini menunjukkan
bahwa sekitar 200 juta jiwa konsumen beras perlu dipenuhi kebutuhannya dan
angka itu akan terus bertambah. Keadaan ini mendesak pertanian dalam negeri
perlu mengembangkan sistem pertanian yang mampu memenuhi kebutuhan pasar
tersebut.
Pengembangan budidaya padi di masa depan memiliki banyak tantangan
salah satunya adalah dalam penyediaan air. Hal ini menjadi tantangan besar karena
sektor pertanian itu sendiri merupakan pengguna air tawar terbesar dan
keberlanjutan pertanian amat bergantung dengan ketersediaan sumber daya air
(Carr 2012). Menurut laporan World Water Council di tahun 2000 dalam Carr
(2012) krisis air yang terjadi di berbagai belahan dunia dan permintaan air tawar
yang terus meningkat sampai tahun 2015 mencapai 40%, dan masih dibutuhkan
17% air lagi untuk budidaya tanaman pangan dari air tawar yang tersedia. Kondisi
menunjukkan bahwa diperlukan strategi, teknologi dan inovasi budidaya yang
memperhatikan hasil produksi dan keberlangsungan sumber daya air yang ada.
Budidaya padi secara umum membutuhkan air yang banyak pada sebagian fase
pertumbuhannya. Hal ini masih terjadi dalam praktek budidaya padi konvensional
di seluruh Indonesia. Bentuk budidaya ini dinilai tidak efektif jika dinilai dari
penghematan air. Berdasarkan Dachlan (2009) pertanian konvensional
membutuhkan air 6,000 m3 /ha sepanjang masa tanam dan ini menjadi tantangan
buat pemerintah untuk terus membangun infrastruktur penyedia air yang dapat
memenuhi kebutuhan sistem pertanian ini.
Bentuk pengembangan teknik budidaya padi yang cukup terkenal dewasa ini
adalah system of rice intensification (SRI). Teknik ini merupakan salah satu cara
budidaya yang mampu menjawab tantang krisis sumber daya air. Sistem ini terkenal
dengan metodenya budidaya yang membutuhkan sedikit air. Sistem ini daur
ekologis akan berlangsung baik karena memanfaatkan mikroorganisme tanah
secara natural. Metode SRI dikembangkan oleh Fr. Henri de Laulanié, S.J bersama
petani lokal di Madagaskar sekitar tahun 1983. SRI dapat meningkatkan
produktivitas tanaman padi dan sejak tahun 1999 pengembangan SRI mulai
dilakukan di luar Madagaskar, dengan bantuan Cornel International Institute for
Food and Agriculture Development (CIIFAD) khususnya Profesor Norman Uphoff.
SRI pertama diujicobakan dan dikembangkan di Indonesia di desa Budiasih,
Kabupaten Ciamis Jawa Barat, pada periode 2002-2007. Sejak saat tersebut,
penanaman padi dengan metode SRI terus berkembang, baik di Provinsi Jawa Barat
dan provinsi lainnya di Indonesia (Dachlan 2009).
Sistem budidaya SRI memang belum banyak berkembang di Indonesia. Hal
ini disebabkan oleh anggapan mayoritas petani bahwa padi merupakan “tanaman
air” yang butuh banyak air seperti teratai maupun kangkung sehingga masih banyak
2
dilakukan cara konvensional dengan menggenangi sawah terus menerus. Sistem
budidaya konvensional ini kontra produktif terhadap dua hal. Pertama pertumbuhan
tanaman akan melambat dan menyebabkan penurunan produksi, dan kedua jumlah
air irigasi di hilir akan berkurang khususnya pada saat kekeringan di musim
kemarau.
Penerapan budidaya SRI juga memiliki masalah di bagian teknis. Petani
kesulitan untuk mengatur berapa jumlah irigasi yang tepat sesuai dengan metode
SRI. Ketepatan pemberian air irigasi berarti tanaman memiliki air yang cukup di
daerah perakarannya. Ketepatan pemberian air irigasi dapat dibantu dengan sistem
kendali irigasi otomatis yang baik. Sistem kendali irigasi otomatis berfungsi
memantau kondisi air di lahan, mengolah data kondisi lahan, mengambil keputusan
dan melaksanakan kegiatan irigasi atau drainase dengan tepat dan otomatis setiap
waktu tertentu. Keberadaan sistem kendali akan membantu petani memberikan
irigasi dan drainase yang tepat dan hemat air.
Sistem kendali irigasi yang menggunakan logika fuzzy (FLC) lebih baik
karena lebih dekat dengan cara berpikir manusia dalam mengelompokkan kondisi
(Sen 2010). Sistem kendali fuzzy merupakan alat yang sangat baik untuk
mengimplementasikan pengetahuan operator/manusia terhadap sistem ke dalam
suatu logika kendali sehingga ketidakpastian pada sistem dapat ditangani (Birle
dkk. 2013). Sistem kendali fuzzy juga dinilai lebih baik karena menghasilkan
overshoot yang kecil dan sebentar dibandingkan dengan sistem kendali on-off.
Overshoot adalah kondisi melencengnya nilai variabel terkontrol melebihi nilai
yang diinginkan (Purnama 2013).
Perumusan Masalah
Permasalahan yang diangkat dalam penelitian ini adalah terbatasnya sumber
daya air yang ada di bumi sedangkan budidaya padi membutuhkan air yang banyak.
Metode budidaya yang dikenal cukup menjawab permasalahan ini adalah metode
SRI karena tingkat kebutuhan air menjadi berkurang secara signifikan. Namun
diperlukan sebuah sistem untuk mengatur masuk dan keluarnya air pada zona
perakaran serta menjaga kadar air tanah. Sistem yang dikembangkan dibuat dalam
skala pot dan dibangun berdasarkan pembuatan simulasi terlebih dahulu sehingga
dapat dibandingkan apakah sistem bekerja sesuai yang diharapkan dalam simulasi.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini diantaranya:
1. Mengembangkan simulasi sistem kendali fuzzy yang mengatur tinggi muka air
(TMA) lahan untuk budidaya padi metode SRI
2. Melakukan uji coba performa sistem kendali fuzzy untuk irigasi dan drainase
otomatis sederhana untuk budidaya SRI dengan mempertimbangkan pengaruh
cuaca.
Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat untuk:
3
1. Membantu proses pengaturan volume irigasi di lahan budidaya SRI secara
komputasi dan otomatis
2. Sebagai referensi dalam pengembangan sistem irigasi otomatis pada lahan
budidaya SRI.
Ruang Lingkup
Ruang lingkup penelitian mencakup pembuatan simulasi sistem kendali di
komputer dan akan diaplikasikan secara sederhana di lapangan. Sistem kendali akan
diuji performanya sepanjang musim tanam terhadap berbagai rezim irigasi.
Penelitian dilakukan di lab. Lapang Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan
Institut Pertanian Bogor yang dilaksanakan pada awal Maret hingga September
2015. Jenis padi yang digunakan ialah varietas padi Ciherang yang sangat banyak
ditanam di Jawa Barat.
TINJAUAN PUSTAKA
Budidaya SRI
SRI adalah teknik budidaya padi yang mampu meningkatkan produktivitas
padi dengan cara mengubah pengelolaan tanaman, tanah, air dan unsur hara. Teknik
ini terbukti telah berhasil meningkatkan produktivitas padi sebesar 50%, bahkan di
beberapa tempat mencapai lebih dari 100% (Mutakin 2007). Kalsim et al (2007)
menambahkan SRI adalah pengembangan praktek pengelolaan padi yang
memperhatikan kondisi pertumbuhan tanaman yang lebih baik, terutama di zona
perakaran.
Konsep dasar metode SRI meliputi kegiatan-kegiatan yang meliputi (Kalsim
2007):
1. Bibit muda.
Bibit padi ditanam setelah berumur 8-15 hari setelah semai, atau setelah
memiliki dua daun.
2. Tanam 1 bibit per lubang
Bibit padi ditanam pada lahan dengan sistem tanam dangkal dan akar bibit
membentuk huruf L.
3. Jarak tanam lebar
Dengan tanam tunggal pada jarak tanam yang lebar ini memberikan ruang lebih
bagi perkembangan akar, serta persaingan dalam memperoleh sinar, udara dan
nutrisi.
4. Sistem irigasi macak-macak
Tanah dijaga pada kondisi lembab tetapi tidak jenuh selama fase vegetatif, dan
kemudian dibiarkan kering sampai terjadi retak rambut. Kondisi ini
memungkinkan lebih banyak oksigen masuk ke dalam tanah dan akan
mendorong pertumbuhan akar. Pada fase generatif air diberikan dengan sistem
penggenangan 1-3 cm, dan kemudian dikeringkan total 25 hari sebelum panen.
Hasil penelitian terdahulu membuktikan bahwa sistem pemberian air secara
4
macak-macak memberikan hasil gabah yang tidak berbeda nyata dengan metode
irigasi yang lain.
5. Penyiangan
Penyiangan pertama dilakukan setelah tanaman berumur 10 HST. Penyiangan
berikutnya ditentukan oleh tingkat kerapatan gulma yang ada. Dalam satu musim
tanam sebaiknya penyiangan dilakukan minimal 3 kali. Penyiangan ini bertujuan
untuk memperbaiki struktur tanah dan meningkatkan aerasi tanah.
6. Aplikasi pupuk organik (khusus Jawa Barat)
Penggunaan kompos dianjurkan sebagai pengganti penggunaan pupuk kimia,
dan terbukti memberikan hasil yang lebih bagus. Penambahan kompos ke dalam
tanah akan menambah nutrisi pada tanah dan juga memberikan kontribusi dalam
perbaikan struktur tanah.
Sistem Irigasi
Irigasi adalah suatu usaha manusia untuk memenuhi kebutuhan air yang
tidak dapat dipenuhi oleh pasokan hujan untuk pertumbuhan tanaman yang
optimum. Drainase adalah suatu usaha manusia untuk membuang kelebihan air
yang merugikan tanaman. Peranan irigasi dalam meningkatkan dan menstabilkan
produksi pertanian tidak hanya bersandar pada produktivitas saja tetapi juga pada
kemampuannya untuk meningkatkan faktor-faktor pertumbuhan lainnya yang
berhubungan dengan input produksi. Irigasi mengurangi risiko kegagalan panen
karena ketidakpastian hujan dan kekeringan, membuat unsur hara yang tersedia
menjadi lebih efektif, menciptakan kondisi kelembaban tanah optimum untuk
pertumbuhan tanaman, serta hasil dan kualitas tanaman yang lebih baik.
Penggunaan sumberdaya air kini tengah berkembang dalam hal optimalisasi
melalui metode intermittent irrigation yang dipadukan dengan berbagai teknologi
intensifikasi budidaya pertanian, khususnya SRI. Pada prakteknya, SRI
menggunakan irigasi intermittent dengan tidak menggenangi lahan secara terus
menerus dalam waktu lama. Walaupun demikian kadar air tanah tetap dijaga
sehingga pengaturan irigasi menjadi satu hal yang sangat penting dalam SRI (Arif
et al 2009). Dalam intermittent irrigation ini, air diberikan dalam jumlah yang tepat
sehingga memenuhi kebutuhan air tanaman dan memungkinkan daerah perakaran
teraerasi. Keuntungan irigasi berkala adalah sebagai berikut: (a) menciptakan aerasi
tanah, sehingga mencegah pembentukan racun dalam tanah, (b) menghemat air
irigasi, (c) mengurangi masalah drainase, (d) mengurangi emisi gas metan.
Sistem Kendali Logika Fuzzy
Logika kendali fuzzy (fuzzy logic control) meupakan salah satu komponen
dot computing. Logika ini pertama kali dikenalkan oleh Prof Lotfi A. Zadeh pada
tahun 1965. Dasar logika fuzzy adalah teori himpunan fuzzy. Logika fuzzy digunakan
untuk menetapkan permasalahan dari masukan menuju keluaran yang diharapkan.
Logika fuzzy memungkinkan nilai keanggotaan memiliki nilai antara 0 dan 1 atau
sering dapat disebut tingkat keabuan dan juga hitam dan putih. Dalam bentuk
linguistik, logika fuzzy diterjemahkan ke dalam konsep kabur/tidak jelas/tidak pasti
seperti "sedikit", "lumayan", dan "sangat" (Kusumadewi dan Purnomo 2004).
5
Sistem kendali berbasis logika fuzzy memiliki konfigurasi yang terdiri dari 4
komponen utama, yaitu unit fuzzifikasi, inferensi, komposisi dan defuzzifikasi.
Fuzzifikasi merupakan definisi dari himpunan fuzzy dan penentuan derajat
keanggotaan dari bagian input pada sebuah himpunan fuzzy. Adapun inferensi
adalah proses evaluasi kaidah / aturan fuzzy untuk menghasilkan keluaran dari tiap
aturan. Komposisi merupakan agregasi atau kombinasi dari keluaran semua aturan.
Bagian akhir adalah defuzzifiksi merupakan perhitungan bagian keluaran dengan
cara mengkonversi setiap hasil dari inference engine yang diekspresikan dalam
bentuk himpunan fuzzy ke suatu bilangan real.
Terdapat beberapa metode untuk merepresentasikan hasil logika fuzzy yaitu
metode Tsukamoto, Sugeno dan Mamdani. Pada metode Tsukamoto, setiap
konsekuen direpresentasikan dengan himpunan fuzzy dengan fungsi keanggotaan
monoton. Keluaran hasil inferensi masing-masing aturan adalah z, berupa
himpunan biasa yang ditetapkan berdasarkan predikatnya. Hasil akhir diperoleh
dengan menggunakan rata-rata terbobotnya (Kusumadewi 2002). Contoh dari
fungsi keanggotaan himpunan fuzzy bisa dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1 Himpunan keanggotaan logika fuzzy
Metode Sugeno mirip dengan metode Mamdani, hanya keluaran
(konsekuen) tidak berupa himpunan fuzzy, melainkan berupa konstanta atau
persamaan liniar. Ada dua model metode Sugeno yaitu model fuzzy sugeno orde nol
dan model fuzzy sugeno orde satu. Bentuk umum model fuzzy sugeno orde nol
adalah (Kusumadewi 2002):
Jika (x1 adalah A1 ) o (x2 adalah A2 ) o...o (xn adalah An ) maka z = k
(1)
Bentuk umum model fuzzy Sugeno orde satu adalah :
Jika (x1 adalah A1) o (x2 adalah A2)o…o(xn adalah An) maka z = (p1.A1)+…(pn.An )+ q (2)
Keterangan :
x1
= Himpunan keanggotaan ke n
A1
= Himpunan fuzzy ke-n sebagai anteseden
k, q
= konstanta tegas
z
= keluaran
Defuzzifikasi pada metode Sugeno dilakukan dengan mencari nilai rataratanya maupun jumlahnya. Metode defuzzifikasi dengan menggunakan rata-rata
lebih halus dari pada metode jumlah keseluruhan.
6
METODE PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan di Cikarawang, Dramaga, Bogor untuk penanaman padi.
Pengujian sampel tanah dilakukan di Laboratorium Mekanika Tanah Departemen
Teknik Sipil dan Lingkungan. Penelitian dilakukan dari bulan Maret sampai bulan
September 2015.
Alat dan Bahan
Pada penelitian ini ada beberapa alat yang digunakan yaitu laptop, pot,
sensor E-Tape 30 cm, sensor curah hujan, sensor intensitas cahaya, sensor
kelembaban tanah GS 3, sensor kecepatan angin, data logger decagon (Em50), field
router, potensiometer, besi penyangga, kabel pelangi, kamera, ember ukuran 20
liter, real time clock, selang dengan berbagai diameter, klep, klem, pipa paralon,
data logger (Em50), selenoid valve 12v, , kabel jumper, kabel jack, kabel jumper,
relay modul 4 masukan, adaptor, baterai, microcontroller arduino uno, data logger
shields deek-robort, microSD card 2 Gb, solder, gelas ukur, pompa akuarium HL881, pipa akuarium, penggaris, dan meteran. Bahan yang digunakan adalah benih
padi varietas Ciherang, pupuk organik (kompos), timah, selotip,dan tanah sawah
yang siap ditanami. Software yang digunakan diantaranya Arduino IDE 1.6.6,
MATLAB R2015a, ECH2O Utility dan Microsoft Excel. Gambar alat dapat dilihat
pada Lampiran 2.
Prosedur Penelitian
Penelitian ini dilakukan dalam 3 tahap yaitu pengambilan data cuaca,
perancangan sistem kendali dan aplikasi sistem kendali. Metode pengambilan data
cuaca meliputi persiapan alat, kalibrasi sensor, pemasangan alat dan pengambilan
data. Perancangan simulasi kendali meliputi penentuan masukan dan keluaran
sistem, penentuan inferensi fuzzy, dan simulasi matematis sistem kendali. Aplikasi
sistem kendali terdiri dari pembuatan program, perakitan alat kendali, uji coba alat.
Diagram alir prosedur penelitian dapat dilihat pada Lampiran 1.
Pengambilan data cuaca
1. Kalibrasi sensor
Pada penelitian ini digunakan data primer yang diperoleh dari hasil
pemantauan kondisi di ladang. Data yang diambil adalah kondisi cuaca seperti
curah hujan, radiasi, kecepatan angin dan tinggi muka air. Sensor yang dikalibrasi
hanya sensor ketinggian muka air (ETape -30) sedangkan sensor yang lain bekerja
normal bersama dengan decagon. Metode kalibrasi sensor tinggi muka air
dilakukan dengan cara memasang sensor pada alat data logger decagon EM 50
melalui port yang tersedia dan arduino uno. Jenis data yang masuk dalam decagon
dibuat dengan format arus listrik atau milivolt (0-3000). Data yang didapat diolah
dalam grafik dengan bantuan program Microsoft Excel dimana sumbu x adalah
hasil bacaan sensor dan sumbu y adalah tinggi muka air. Persamaan garis
7
didapatkan dengan regresi linear. Apabila nilai koefisien determinasi R2 adalah
lebih dari 0.9 maka hasil kalibrasi benar.
2. Pemasangan alat
Sensor muka air tanah harus dilindungi dengan paralon yang dilubangi
sebesar 3 mm di seluruh permukaan paralon agar air dapat masuk namun tanah atau
partikel lainnya tidak mengganggu kerja sensor. Posisi sensor harus dalam kondisi
horizontal. Kabel sensor ETape harus diberi pelindung agar tidak rusak.
Penempatan setiap sensor diusahakan sedekat mungkin dengan data logger agar
data lebih akurat.
3. Pengambilan data
Data diambil setiap hari dan diukur secara otomatis setiap 30 menit lalu
direkam dalam decagon EM50. Ladang dibagi menjadi 3 petak perlakuan yaitu
rezim tergenang, rezim basah dan rezim kering. Masing-masing memiliki nilai
tinggi muka air yang diharapkan masing-masing sebesar 20mm, 0 mm dan 0 mm
di atas permukaan tanah pada tahap 20 - 30 HST. Data yang diambil berupa
kecepatan angin, curah hujan, radiasi, dan tinggi muka air.
Perancangan sistem kendali
1. Penentuan masukan dan keluaran sistem
Sistem kendali yang dirancang pada penelitian kali ini adalah sistem kendali
yang berbasis fuzzy Sugeno. Persamaan ini juga dilengkapi dengan faktor - faktor
alami seperti evapotranspirasi, transpirasi, infiltrasi, transpirasi dan perkolasi
berdasarkan pendekatan-pendekatan aliran air dalam sistem tanaman – tanaman
atmosfer seperti dapat ditemukan dalam Hillel (1980) serta Bear dan Verujit (1987).
Evapotranspirasi
Irigasi dan Hujan
Limpasan
Titik Jenuh
Kapasitas Lapang
Titik Layu Permanen
Kenaikan Kapilaritas
Perkolasi
Sumber: http://www.fao.org
Gambar 2 Skema Keseimbangan air di lahan
Persamaan keseimbangan air (water balance) pada lahan dapat dimodelkan
dalam simulasi yang dibuat di Microsoft Excel Visual Basic. Program MATLAB
digunakan untuk pengujian trial and error model keanggotaan fuzzy yang dibuat
yang kriterianya adalah kehalusan hasil fuzzifikasi yang keluar. Input yang
digunakan dalam sistem ini adalah kesalahan (error) dan perubahan kesalahan
(delta error) dari variabel ketinggian yang diolah oleh sistem. Error adalah
8
besarnya perbedaan nilai variabel yang diinginkan (nilai acuan) dengan kondisi
yang terjadi dan nilainya bisa negatif maupun positif. Delta error adalah perubahan
error yang terjadi selama kinerja sistem. Semakin besar delta error menunjukkan
cepatnya perubahan error menuju nilai acuan. Model himpunan keanggotaan fuzzy
dapat dilihat pada Gambar 3 dan 4. Keluaran sistem adalah lama bukaan valve
irigasi dan drainase. Debit irigasi dibantu dengan pompa. Perhitungan debit pompa
dilakukan dengan persamaan berikut:
E=WL- Sp
DE=E - E
Q=
V
t
(3)
(4)
(5)
Keterangan :
WL = Tinggi muka air (cm)
Sp
= Nilai acuan (cm)
E
= Error (cm)
DE
= Selisih error yang terjadi dari ritasi 1 ke ritasi 2 (cm)
E2
= Error setelah (cm)
E1
= Error sebelum (cm)
Q
= debit pompa (cm3/detik)
V
= Volume air (cm3)
t
= waktu (detik)
Pada pengembangan simulasi ini persamaan (Gambar 2) yang digunakan adalah :
WLi =WL i- + Rf + I – ET – P – Ro –D *Δt
Keterangan :
I
D
ET
P
Ro
Rf
WLi
WL(i-1)
Δt
(6)
= Irigasi (mm/waktu)
= Drainase (mm/waktu)
= Evapotranspirasi (mm/waktu)
= Perkolasi (mm/waktu)
= Aliran permukaan (mm/waktu)
= Presipitasi (mm/waktu)
= Tinggi muka air pada saat i (mm)
= Tinggi muka air sebelumnya (mm)
= waktu
Nilai batas atas dan bawah dari himpunan anggota dari kedua masukan adalah
[-2,2] , hal ini diperoleh dari sistem trial and error dan dengan tujuan agar sistem
bekerja lebih teliti dan memperbaiki error sedikit demi sedikit.
2. Penentuan inferensi fuzzy
Sistem inferensi fuzzy yang digunakan adalah Sugeno dengan fungsi
implikasi min. Sistem inferensi Sugeno dipilih karena lebih efisien, bekerja lebih
baik dengan sistem linear, dan cocok untuk analisis matematis dan optimalisasi
(Matworks 2015). Pengembangan sistem irigasi dengan basis fuzzy sudah dilakukan
9
sebelumnya oleh Sofwan (2005) namun tidak spesifik untuk sistem pertanian
tertentu maupun menggunakan sensor dan fuzzifikasi yang berbeda pula.
Rendah
Normal
Agak Rendah
Tinggi
Agak Tinggi
1
0.5
0
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Gambar 3 Himpunan keanggotaan dari masukan error (cm)
Negatif
Positif
Normal
1
0.5
0
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Gambar 4 Himpunan keanggotaan dari masukan delta error (cm)
Komposisi aturan dibuat berdasarkan tujuan yang ingin dicapai yaitu waktu
bukaan yang sesuai agar volume air yang masuk bisa diatur dan tinggi muka air
berubah. Asumsi debit yang terjadi untuk irigasi dengan bantuan pompa akuarium
HL-881 adalah 122.69 cm3/dt. Debit drainase jauh lebih kecil karena tanpa bantuan
pompa yaitu 37.56 cm3/dt. Terdapat 15 aturan dalam sistem ini dan bisa dilihat pada
Tabel 1.
Tabel 1 Matriks keputusan untuk keluaran berupa waktu bukaan valve
Error
Delta
Error
Negatif
Normal
Positif
Rendah
Agak
Rendah
Irigasi
Besar
Irigasi
Besar
Irigasi
Sedang
Irigasi
Sedang
Irigasi
Kecil
Irigasi
Kecil
Normal
Stop
Stop
Stop
Keterangan :
Drainase Besar
Drainase Sedang
Drainase Kecil
= Memiliki konstanta -15 detik
= Memiliki konstanta -10 detik
= Memiliki konstanta -5 detik
Agak
Tinggi
Tinggi
Drainase
Kecil
Drainase
Kecil
Drainase
Sedang
Drainase
Sedang
Drainase
Besar
Drainase
Besar
10
Stop
Irigasi Kecil
Irigasi Sedang
Irigasi Besar
= Memiliki konstanta 0 detik
= Memiliki konstanta 1 detik
= Memiliki konstanta 3 detik
= Memiliki konstanta 5 detik
Hasil dari komposisi aturan adalah waktu bukaan valve dengan proses
defuzzifikasi Sugeno. Proses defuzzifikasi dengan bantuan program MATLAB
dapat dilihat pada Gambar 9.
3. Penentuan tinggi muka air acuan
Pengaturan pola penggenangan di lahan dilakukan berdasarkan grafik
pengontrolan tinggi muka air pada Gambar 5, 6 dan 7. Setiap pola pengenangan
dilakukan pada satu petakan, sehingga setiap petakan memiliki kondisi (rezim)
yang berbeda.
Tinggi Muka Air (cm)
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
HST
Gambar 5 Grafik sistem irigasi rezim tergenang (RT)
Tinggi Muka Air (cm)
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
HST
Gambar 6 Grafik sistem irigasi rezim basah (RB)
Adapun dalam pengaturannya diberi nama menjadi rezim tergenang pada
budidaya padi konvensional, rezim basah dan rezim kering pada budidaya padi SRI.
Pada rezim tergenang (Gambar 5) tinggi muka air dijaga pada ketinggian 2 cm
selama 70 hari setelah tanam (HST), kemudian dilakukan penurunan tinggi muka
air secara bertahap hingga masa panen (Sujono 2011). Ketinggian muka air pada
rezim basah (Gambar 6) dijaga 1 cm selama 20 HST, kemudian diatur tinggi airnya
sebesar 0 cm dari 20 HST hingga masa panen (Sujono 2011). Terakhir, pengaturan
tinggi air pada rezim kering (Gambar 7) hampir sama dengan rezim basah, hanya
saja pada 20 HST hingga 30 HST tinggi muka air dijaga 0 cm, kemudian dari 30
11
Tinggi Muka Air (cm)
HST dilakukan penurunan tinggi muka air sebesar -5 cm dari permukaan tanah
hingga masa panen berlangsung.
4
2
0
-2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-4
-6
HST
Gambar 7 Grafik sistem irigasi rezim kering (RK)
Aplikasi sistem kendali
1. Pembuatan program dan perakitan alat kendali
Hardware arduino diprogram menggunakan bahasa pemrograman wiringbased yang berbasiskan syntax dan library. Pemrograman wiring-based ini tidak
berbeda dengan C/C++, tetapi dengan beberapa penyederhanaan dan modifikasi
untuk memudahkan dalam pengembangan aplikasinya. Microcontroller arduino
juga menggunakan Integerated Development Environment (IDE) berbasis
processing (Banzi, 2009). Selenoid valve yang digunakan masing-masing 1 untuk
irigasi dan drainase. Selenoid valve hanya bisa buka dan tutup tanpa bisa diatur
debitnya. Rakitan alat bisa dilihat pada Lampiran 2.
2. Uji performa sistem kendali di laboratorium
Uji peforma dilakukan unutk mengevaluasi sistem kendali fuzzy yang telah
dibangun di perhitungan matematis dan pemodelan dengan bantuan perangkat
lunak Ms.Excel dan MATLAB. Jika simulasi matematis telah dianggap baik
berdasarkan error dan lag secara kuantitatif maka hasil matematis tersebut
digunakan sebagai referensi simulasi aktual (Ibrahim 2015). Sistem membaca
kondisi tinggi muka air dari pot lalu mempertimbangkan kondisi aktual secara
fuzzy, selanjutnya memberikan keluaran berupa lama bukaan dan memberikan
sinyal ke relay dan terakhir mengaktifkan aktuator yang akan dibuka. Sistem ini
akan bekerja beruang–ulang (loop) sampai tinggi muka air tepat pada nilai acuan.
Pengujian dilakukan dengan nilai acuan yang berbeda dan mengacu pada tinggi
muka air acuan yang dirancang untuk dilakukan di lahan. Simulasi matematis
dirancang dalam kondisi tanpa gangguan dan faktor cuaca. Simulasi menggunakan
referensi tinggi muka air acuan. Skema kerja sistem kendali dapat dilihat pada
Gambar 8. Simulasi matematis dilakukan di pot yang berisi tanah untuk melihat
respons kendali secara langsung. Evaluasi dilakukan dengan metode MAPE (mean
absolute precentage error).
Keterangan:
M
= Nilai MAPE (%)
n
= Jumlah data
=
�� − �
|�
��
∑�= |
%
(7)
12
At
Ft
= Nilai aktual (cm)
= Nilai ramalan dari model (cm)
Metode ini membandingkan hasil peramalan dari model yang dibangun dengan
hasil aktual. Metode ini lebih mudah dipahami karena disajikan dalam persentase
(Hyndman dan Koehler 2006). Jika MAPE < 25% maka hasil simulasi dan validasi
dapat diterima dengan memuaskan (Makridakis et al 1983). Apabila MAPE
BUDIDAYA PADI SRI (SYSTEM OF RICE INTENSIFICATION)
YANG RAMAH LINGKUNGAN
RILSAN MALKHI PANDAPOTAN
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2016
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER
INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Pengembangan Sistem
Kendali Irigasi untuk Budidaya Padi SRI (System of Rice Intensification) yang
Ramah Lingkungan adalah benar 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 skripsi ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, Januari 2016
Rilsan Malkhi Pandapotan
F44110077
ABSTRAK
RILSAN MALKHI PANDAPOTAN. Pengembangan Sistem Kendali Irigasi untuk
Budidaya Padi SRI (System Of Rice Intensification) yang Ramah Lingkungan.
Dibimbing oleh YUDI CHADIRIN dan CHUSNUL ARIF.
Pengembangan budidaya padi berkelanjutan di masa depan memiliki banyak
tantangan dan salah satunya adalah masalah penyediaan air. SRI (system of rice
intensification) merupakan salah satu metode yang mampu menjawab tantangan
tersebut. Tujuan penelitian ini adalah mengembangkan sistem kendali fuzzy yang
mengatur secara otomatis tinggi muka air di lahan untuk budidaya padi metode SRI
dan melakukan evaluasi performa sistem kendali fuzzy untuk menghemat
penggunaan air dengan mempertimbangkan pengaruh cuaca. Penelitian dilakukan
di Cikarawang, Dramaga – Bogor, dari bulan Maret - September 2015. Sistem
kendali dikembangkan dengan defuzzifikasi metode Sugeno dan microcontroller
arduino uno. Pemantauan kondisi cuaca dan tanah dilakukan sepanjang musim
tanam. Pada uji skala laboratorium seluruh hasil menunjukkan MAPE (mean
absolute percentage error) < 25 %. Selanjutnya nilai tinggi muka air, air teraplikasi
dan air yang terbuang dihitung berdasarkan skala lapang secara simulasi. Dari hasil
penelitian ternyata sistem kendali mampu menghemat air 3-21% dibandingkan
sistem tata air konvensional yang ditetapkan oleh petani.
Kata kunci: arduino, sistem kendali fuzzy, metode Sugeno, system of rice
intensification, tinggi muka air
ABSTRACT
RILSAN MALKHI PANDAPOTAN. Development of Irrigation Control System
for Environmentally Friendly System of Rice Intensification Cultivation.
Supervised by YUDI CHADIRIN and CHUSNUL ARIF.
The development of sustainable rice cultivation in the future has many challenges
and one of them is water supply. SRI (system of rice intensification) is one of
solution for that challenge. The purpose of this research were to develop a fuzzy
control system that control water level in the field for paddy cultivation by SRI
method and to evaluate the system performance for water-saving based on weather
condition. The research was done in Cikarawang, Dramaga - Bogor from March September 2015. Control system was developed using Sugeno defuzzification
method and microcontroller arduino uno. Weather and soil condition had been
monitored continuously during cultivation period. All result in laboratory scale test
showed MAPE (mean absolute percentage error) < 25%. Next, water level, applied
water and drained water were calculated based on field scale by simulation. The
result showed that the computerized system could save 3-21% of water compare to
farmer’s conventional water management method.
Keywords: arduino, fuzzy control system, Sugeno method, system of rice
intensification, water level
PENGEMBANGAN SISTEM KENDALI IRIGASI UNTUK
BUDIDAYA PADI SRI (SYSTEM OF RICE INTENSIFICATION)
YANG RAMAH LINGKUNGAN
RILSAN MALKHI PANDAPOTAN
Skripsi
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik
pada
Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan
DEPARTEMEN TEKNIK SIPIL DAN LINGKUNGAN
FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
2016
Judul : Pengembangan Sistem Kendali Irigasi Untuk Budidaya Padi SRI (System
of Rice Intensification) yang Ramah Lingkungan
Nama : Rilsan Malkhi Pandapotan
NIM : F44110077
Disetujui oleh
Dr. Chusnul Arif, STP, M.Si
Pembimbing II
Dr. Yudi Chadirin, S.TP, M.Agr
Pembimbing I
Diketahui oleh
Dr. Ir.Nora Pandjaitan, DEA
Ketua Departemen
Tanggal Lulus :
PRAKATA
Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena berkat dan rahmatnya
karya ilmiah yang berjudul “Pengembangan Sistem Kendali Irigasi untuk Budidaya
Padi SRI (System of Rice Intensification) yang Ramah Lingkungan” dapat
diselesaikan. Karya ilmiah ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Sarjana Teknik dan proses penelitian telah dilaksanakan sejak bulan Maret sampai
bulan September 2015.
Pada kesempatan ini disampaikan terima kasih kepada :
1. Dr. Yudi Chadirin, S.TP, M.Agr dan Dr. Chusnul Arif, STP, M.Si sebagai dosen
pembimbing skripsi yang telah banyak memberikan arahan dan ilmu dalam
penulisan laporan penelitian ini.
2. Dr. Rudiyanto S.TP, M.Si selaku dosen penguji yang telah memberi masukan
kepada penulis.
3. Bapak Paingot Sidauruk, Ibu Rosti Sibarani, Putra Harry, dan Rodo Yafo,
keluarga saya yang telah menyayangi, memberikan motivasi, dan insipirasi setiap
hari.
4. Rekan-rekan satu bimbingan tugas akhir : Briza Sibarani, Aulia Azizah, Dyah
Manggandari, Chau A, Chariem, dan Ulya Rufako.
5. Rekan-rekan di Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan Institut Pertanian
Bogor Angkatan 48 (SIL 48) khususnya Hasfan dan Hesekiel.
6. Rekan-rekan camp kopral, rekan-rekan Kopelkhu, dan Combat 48 atas semangat
serta dukungannya.
7. Semua pihak yang telah membantu dalam penelitian dan pembuatan skripsi ini
yang tidak dapat disebutkan satu persatu.
Terdapat banyak kekurangan yang dirasakan dalam penyusunan karya ilmiah
ini, oleh karena itu masukan, baik kritik maupun saran sangat diharapkan untuk
dapat memperbaiki kekurangan yang ada. Semoga hasil penelitian ini dapat
bermanfaat bagi yang memerlukan.
Bogor, Januari 2016
Rilsan Malkhi Pandapotan
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Perumusan Masalah
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup
TINJAUAN PUSTAKA
Budidaya SRI
Sistem Irigasi
Sistem Kendali Logika Fuzzy
METODE PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian
Alat dan Bahan
Prosedur Penelitian
HASIL DAN PEMBAHASAN
Data Cuaca
Pengembangan Simulasi
Aplikasi Sistem Kendali
SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
RIWAYAT HIDUP
iv
iv
iv
1
1
2
2
2
3
3
3
4
4
6
6
6
6
13
13
14
18
20
20
20
20
22
30
DAFTAR TABEL
1 Matriks keputusan untuk keluaran berupa waktu bukaan valve
2 Penggunaan air simulasi aktual sistem
3 Keseimbangan air di masing- masing lahan tanpa sistem kendali
4 Keseimbangan air di masing- masing lahan dengan sistem kendali
5 Penghematan air yang terjadi dari kegunaan sistem kendali
9
17
19
19
20
DAFTAR GAMBAR
1 Himpunan keanggotaan logika fuzzy
2 Skema Keseimbangan air di lahan
3 Himpunan keanggotaan dari masukan error (cm)
4 Himpunan keanggotaan dari masukan delta errorr (cm)
5 Grafik sistem irigasi rezim air tergenang (RT) (Sujono 2011)
6 Grafik sistem irigasi rezim air basah (RB) (Sujono 2011)
7 Grafik sistem irigasi rezim rezim air kering (RK)
8 Skema sistem kendali tinggi muka air di lahan
9 Proses defuzzifikasi dengan program MATLAB
10 Pengamatan kondisi tanah dan cuaca pada rezim tergenang
11 Pengamatan kondisi tanah dan cuaca pada rezim basah
12 Pengamatan kondisi tanah dan cuaca pada rezim kering
13 Kalibrasi sensor tinggi muka air E-Tape 30 rezim tergenang
14 Kalibrasi sensor tinggi muka air E-Tape 30 rezim basah
15 Kalibrasi sensor tinggi muka air E-Tape 30 rezim kering
16 Kalibrasi sensor tinggi muka air E-Tape 30 Arduino
17 Simulasi aktual untuk untuk budidaya rezim tergenang
18 Simulasi aktual untuk untuk budidaya rezim basah
19 Simulasi aktual untuk untuk budidaya rezim kering
20 Simulasi lapang budidaya rezim tergenang
21 Simulasi lapang budidaya rezim basah
22 Simulasi lapang budidaya rezim basah
5
7
9
9
10
10
11
12
12
13
13
14
15
15
15
15
16
16
17
18
18
19
DAFTAR LAMPIRAN
1 Diagram proses penelitian
2 Foto rangkaian alat
3 Bahasa pemrograman kendali di Arduino
4 Persamaan dari fungsi keanggotaan input dan output
5 Contoh perhitungan manual sistem
22
24
25
27
28
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Komoditas padi merupakan komoditas pertanian yang paling banyak
dikonsumsi di Indonesia. Kepopuleran komoditas padi membuat padi menjadi
kebutuhan pokok di Indonesia. Menurut data Badan Pusat Statistik (BPS) jumlah
penduduk di Indonesia 237,641,326 jiwa pada tahun 2010 dan akan bertambah
sampai lebih dari 300 juta jiwa pada 2035 (BPS 2014). Data ini menunjukkan
bahwa sekitar 200 juta jiwa konsumen beras perlu dipenuhi kebutuhannya dan
angka itu akan terus bertambah. Keadaan ini mendesak pertanian dalam negeri
perlu mengembangkan sistem pertanian yang mampu memenuhi kebutuhan pasar
tersebut.
Pengembangan budidaya padi di masa depan memiliki banyak tantangan
salah satunya adalah dalam penyediaan air. Hal ini menjadi tantangan besar karena
sektor pertanian itu sendiri merupakan pengguna air tawar terbesar dan
keberlanjutan pertanian amat bergantung dengan ketersediaan sumber daya air
(Carr 2012). Menurut laporan World Water Council di tahun 2000 dalam Carr
(2012) krisis air yang terjadi di berbagai belahan dunia dan permintaan air tawar
yang terus meningkat sampai tahun 2015 mencapai 40%, dan masih dibutuhkan
17% air lagi untuk budidaya tanaman pangan dari air tawar yang tersedia. Kondisi
menunjukkan bahwa diperlukan strategi, teknologi dan inovasi budidaya yang
memperhatikan hasil produksi dan keberlangsungan sumber daya air yang ada.
Budidaya padi secara umum membutuhkan air yang banyak pada sebagian fase
pertumbuhannya. Hal ini masih terjadi dalam praktek budidaya padi konvensional
di seluruh Indonesia. Bentuk budidaya ini dinilai tidak efektif jika dinilai dari
penghematan air. Berdasarkan Dachlan (2009) pertanian konvensional
membutuhkan air 6,000 m3 /ha sepanjang masa tanam dan ini menjadi tantangan
buat pemerintah untuk terus membangun infrastruktur penyedia air yang dapat
memenuhi kebutuhan sistem pertanian ini.
Bentuk pengembangan teknik budidaya padi yang cukup terkenal dewasa ini
adalah system of rice intensification (SRI). Teknik ini merupakan salah satu cara
budidaya yang mampu menjawab tantang krisis sumber daya air. Sistem ini terkenal
dengan metodenya budidaya yang membutuhkan sedikit air. Sistem ini daur
ekologis akan berlangsung baik karena memanfaatkan mikroorganisme tanah
secara natural. Metode SRI dikembangkan oleh Fr. Henri de Laulanié, S.J bersama
petani lokal di Madagaskar sekitar tahun 1983. SRI dapat meningkatkan
produktivitas tanaman padi dan sejak tahun 1999 pengembangan SRI mulai
dilakukan di luar Madagaskar, dengan bantuan Cornel International Institute for
Food and Agriculture Development (CIIFAD) khususnya Profesor Norman Uphoff.
SRI pertama diujicobakan dan dikembangkan di Indonesia di desa Budiasih,
Kabupaten Ciamis Jawa Barat, pada periode 2002-2007. Sejak saat tersebut,
penanaman padi dengan metode SRI terus berkembang, baik di Provinsi Jawa Barat
dan provinsi lainnya di Indonesia (Dachlan 2009).
Sistem budidaya SRI memang belum banyak berkembang di Indonesia. Hal
ini disebabkan oleh anggapan mayoritas petani bahwa padi merupakan “tanaman
air” yang butuh banyak air seperti teratai maupun kangkung sehingga masih banyak
2
dilakukan cara konvensional dengan menggenangi sawah terus menerus. Sistem
budidaya konvensional ini kontra produktif terhadap dua hal. Pertama pertumbuhan
tanaman akan melambat dan menyebabkan penurunan produksi, dan kedua jumlah
air irigasi di hilir akan berkurang khususnya pada saat kekeringan di musim
kemarau.
Penerapan budidaya SRI juga memiliki masalah di bagian teknis. Petani
kesulitan untuk mengatur berapa jumlah irigasi yang tepat sesuai dengan metode
SRI. Ketepatan pemberian air irigasi berarti tanaman memiliki air yang cukup di
daerah perakarannya. Ketepatan pemberian air irigasi dapat dibantu dengan sistem
kendali irigasi otomatis yang baik. Sistem kendali irigasi otomatis berfungsi
memantau kondisi air di lahan, mengolah data kondisi lahan, mengambil keputusan
dan melaksanakan kegiatan irigasi atau drainase dengan tepat dan otomatis setiap
waktu tertentu. Keberadaan sistem kendali akan membantu petani memberikan
irigasi dan drainase yang tepat dan hemat air.
Sistem kendali irigasi yang menggunakan logika fuzzy (FLC) lebih baik
karena lebih dekat dengan cara berpikir manusia dalam mengelompokkan kondisi
(Sen 2010). Sistem kendali fuzzy merupakan alat yang sangat baik untuk
mengimplementasikan pengetahuan operator/manusia terhadap sistem ke dalam
suatu logika kendali sehingga ketidakpastian pada sistem dapat ditangani (Birle
dkk. 2013). Sistem kendali fuzzy juga dinilai lebih baik karena menghasilkan
overshoot yang kecil dan sebentar dibandingkan dengan sistem kendali on-off.
Overshoot adalah kondisi melencengnya nilai variabel terkontrol melebihi nilai
yang diinginkan (Purnama 2013).
Perumusan Masalah
Permasalahan yang diangkat dalam penelitian ini adalah terbatasnya sumber
daya air yang ada di bumi sedangkan budidaya padi membutuhkan air yang banyak.
Metode budidaya yang dikenal cukup menjawab permasalahan ini adalah metode
SRI karena tingkat kebutuhan air menjadi berkurang secara signifikan. Namun
diperlukan sebuah sistem untuk mengatur masuk dan keluarnya air pada zona
perakaran serta menjaga kadar air tanah. Sistem yang dikembangkan dibuat dalam
skala pot dan dibangun berdasarkan pembuatan simulasi terlebih dahulu sehingga
dapat dibandingkan apakah sistem bekerja sesuai yang diharapkan dalam simulasi.
Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini diantaranya:
1. Mengembangkan simulasi sistem kendali fuzzy yang mengatur tinggi muka air
(TMA) lahan untuk budidaya padi metode SRI
2. Melakukan uji coba performa sistem kendali fuzzy untuk irigasi dan drainase
otomatis sederhana untuk budidaya SRI dengan mempertimbangkan pengaruh
cuaca.
Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat untuk:
3
1. Membantu proses pengaturan volume irigasi di lahan budidaya SRI secara
komputasi dan otomatis
2. Sebagai referensi dalam pengembangan sistem irigasi otomatis pada lahan
budidaya SRI.
Ruang Lingkup
Ruang lingkup penelitian mencakup pembuatan simulasi sistem kendali di
komputer dan akan diaplikasikan secara sederhana di lapangan. Sistem kendali akan
diuji performanya sepanjang musim tanam terhadap berbagai rezim irigasi.
Penelitian dilakukan di lab. Lapang Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan
Institut Pertanian Bogor yang dilaksanakan pada awal Maret hingga September
2015. Jenis padi yang digunakan ialah varietas padi Ciherang yang sangat banyak
ditanam di Jawa Barat.
TINJAUAN PUSTAKA
Budidaya SRI
SRI adalah teknik budidaya padi yang mampu meningkatkan produktivitas
padi dengan cara mengubah pengelolaan tanaman, tanah, air dan unsur hara. Teknik
ini terbukti telah berhasil meningkatkan produktivitas padi sebesar 50%, bahkan di
beberapa tempat mencapai lebih dari 100% (Mutakin 2007). Kalsim et al (2007)
menambahkan SRI adalah pengembangan praktek pengelolaan padi yang
memperhatikan kondisi pertumbuhan tanaman yang lebih baik, terutama di zona
perakaran.
Konsep dasar metode SRI meliputi kegiatan-kegiatan yang meliputi (Kalsim
2007):
1. Bibit muda.
Bibit padi ditanam setelah berumur 8-15 hari setelah semai, atau setelah
memiliki dua daun.
2. Tanam 1 bibit per lubang
Bibit padi ditanam pada lahan dengan sistem tanam dangkal dan akar bibit
membentuk huruf L.
3. Jarak tanam lebar
Dengan tanam tunggal pada jarak tanam yang lebar ini memberikan ruang lebih
bagi perkembangan akar, serta persaingan dalam memperoleh sinar, udara dan
nutrisi.
4. Sistem irigasi macak-macak
Tanah dijaga pada kondisi lembab tetapi tidak jenuh selama fase vegetatif, dan
kemudian dibiarkan kering sampai terjadi retak rambut. Kondisi ini
memungkinkan lebih banyak oksigen masuk ke dalam tanah dan akan
mendorong pertumbuhan akar. Pada fase generatif air diberikan dengan sistem
penggenangan 1-3 cm, dan kemudian dikeringkan total 25 hari sebelum panen.
Hasil penelitian terdahulu membuktikan bahwa sistem pemberian air secara
4
macak-macak memberikan hasil gabah yang tidak berbeda nyata dengan metode
irigasi yang lain.
5. Penyiangan
Penyiangan pertama dilakukan setelah tanaman berumur 10 HST. Penyiangan
berikutnya ditentukan oleh tingkat kerapatan gulma yang ada. Dalam satu musim
tanam sebaiknya penyiangan dilakukan minimal 3 kali. Penyiangan ini bertujuan
untuk memperbaiki struktur tanah dan meningkatkan aerasi tanah.
6. Aplikasi pupuk organik (khusus Jawa Barat)
Penggunaan kompos dianjurkan sebagai pengganti penggunaan pupuk kimia,
dan terbukti memberikan hasil yang lebih bagus. Penambahan kompos ke dalam
tanah akan menambah nutrisi pada tanah dan juga memberikan kontribusi dalam
perbaikan struktur tanah.
Sistem Irigasi
Irigasi adalah suatu usaha manusia untuk memenuhi kebutuhan air yang
tidak dapat dipenuhi oleh pasokan hujan untuk pertumbuhan tanaman yang
optimum. Drainase adalah suatu usaha manusia untuk membuang kelebihan air
yang merugikan tanaman. Peranan irigasi dalam meningkatkan dan menstabilkan
produksi pertanian tidak hanya bersandar pada produktivitas saja tetapi juga pada
kemampuannya untuk meningkatkan faktor-faktor pertumbuhan lainnya yang
berhubungan dengan input produksi. Irigasi mengurangi risiko kegagalan panen
karena ketidakpastian hujan dan kekeringan, membuat unsur hara yang tersedia
menjadi lebih efektif, menciptakan kondisi kelembaban tanah optimum untuk
pertumbuhan tanaman, serta hasil dan kualitas tanaman yang lebih baik.
Penggunaan sumberdaya air kini tengah berkembang dalam hal optimalisasi
melalui metode intermittent irrigation yang dipadukan dengan berbagai teknologi
intensifikasi budidaya pertanian, khususnya SRI. Pada prakteknya, SRI
menggunakan irigasi intermittent dengan tidak menggenangi lahan secara terus
menerus dalam waktu lama. Walaupun demikian kadar air tanah tetap dijaga
sehingga pengaturan irigasi menjadi satu hal yang sangat penting dalam SRI (Arif
et al 2009). Dalam intermittent irrigation ini, air diberikan dalam jumlah yang tepat
sehingga memenuhi kebutuhan air tanaman dan memungkinkan daerah perakaran
teraerasi. Keuntungan irigasi berkala adalah sebagai berikut: (a) menciptakan aerasi
tanah, sehingga mencegah pembentukan racun dalam tanah, (b) menghemat air
irigasi, (c) mengurangi masalah drainase, (d) mengurangi emisi gas metan.
Sistem Kendali Logika Fuzzy
Logika kendali fuzzy (fuzzy logic control) meupakan salah satu komponen
dot computing. Logika ini pertama kali dikenalkan oleh Prof Lotfi A. Zadeh pada
tahun 1965. Dasar logika fuzzy adalah teori himpunan fuzzy. Logika fuzzy digunakan
untuk menetapkan permasalahan dari masukan menuju keluaran yang diharapkan.
Logika fuzzy memungkinkan nilai keanggotaan memiliki nilai antara 0 dan 1 atau
sering dapat disebut tingkat keabuan dan juga hitam dan putih. Dalam bentuk
linguistik, logika fuzzy diterjemahkan ke dalam konsep kabur/tidak jelas/tidak pasti
seperti "sedikit", "lumayan", dan "sangat" (Kusumadewi dan Purnomo 2004).
5
Sistem kendali berbasis logika fuzzy memiliki konfigurasi yang terdiri dari 4
komponen utama, yaitu unit fuzzifikasi, inferensi, komposisi dan defuzzifikasi.
Fuzzifikasi merupakan definisi dari himpunan fuzzy dan penentuan derajat
keanggotaan dari bagian input pada sebuah himpunan fuzzy. Adapun inferensi
adalah proses evaluasi kaidah / aturan fuzzy untuk menghasilkan keluaran dari tiap
aturan. Komposisi merupakan agregasi atau kombinasi dari keluaran semua aturan.
Bagian akhir adalah defuzzifiksi merupakan perhitungan bagian keluaran dengan
cara mengkonversi setiap hasil dari inference engine yang diekspresikan dalam
bentuk himpunan fuzzy ke suatu bilangan real.
Terdapat beberapa metode untuk merepresentasikan hasil logika fuzzy yaitu
metode Tsukamoto, Sugeno dan Mamdani. Pada metode Tsukamoto, setiap
konsekuen direpresentasikan dengan himpunan fuzzy dengan fungsi keanggotaan
monoton. Keluaran hasil inferensi masing-masing aturan adalah z, berupa
himpunan biasa yang ditetapkan berdasarkan predikatnya. Hasil akhir diperoleh
dengan menggunakan rata-rata terbobotnya (Kusumadewi 2002). Contoh dari
fungsi keanggotaan himpunan fuzzy bisa dilihat pada Gambar 1.
Gambar 1 Himpunan keanggotaan logika fuzzy
Metode Sugeno mirip dengan metode Mamdani, hanya keluaran
(konsekuen) tidak berupa himpunan fuzzy, melainkan berupa konstanta atau
persamaan liniar. Ada dua model metode Sugeno yaitu model fuzzy sugeno orde nol
dan model fuzzy sugeno orde satu. Bentuk umum model fuzzy sugeno orde nol
adalah (Kusumadewi 2002):
Jika (x1 adalah A1 ) o (x2 adalah A2 ) o...o (xn adalah An ) maka z = k
(1)
Bentuk umum model fuzzy Sugeno orde satu adalah :
Jika (x1 adalah A1) o (x2 adalah A2)o…o(xn adalah An) maka z = (p1.A1)+…(pn.An )+ q (2)
Keterangan :
x1
= Himpunan keanggotaan ke n
A1
= Himpunan fuzzy ke-n sebagai anteseden
k, q
= konstanta tegas
z
= keluaran
Defuzzifikasi pada metode Sugeno dilakukan dengan mencari nilai rataratanya maupun jumlahnya. Metode defuzzifikasi dengan menggunakan rata-rata
lebih halus dari pada metode jumlah keseluruhan.
6
METODE PENELITIAN
Waktu dan Tempat Penelitian
Penelitian dilakukan di Cikarawang, Dramaga, Bogor untuk penanaman padi.
Pengujian sampel tanah dilakukan di Laboratorium Mekanika Tanah Departemen
Teknik Sipil dan Lingkungan. Penelitian dilakukan dari bulan Maret sampai bulan
September 2015.
Alat dan Bahan
Pada penelitian ini ada beberapa alat yang digunakan yaitu laptop, pot,
sensor E-Tape 30 cm, sensor curah hujan, sensor intensitas cahaya, sensor
kelembaban tanah GS 3, sensor kecepatan angin, data logger decagon (Em50), field
router, potensiometer, besi penyangga, kabel pelangi, kamera, ember ukuran 20
liter, real time clock, selang dengan berbagai diameter, klep, klem, pipa paralon,
data logger (Em50), selenoid valve 12v, , kabel jumper, kabel jack, kabel jumper,
relay modul 4 masukan, adaptor, baterai, microcontroller arduino uno, data logger
shields deek-robort, microSD card 2 Gb, solder, gelas ukur, pompa akuarium HL881, pipa akuarium, penggaris, dan meteran. Bahan yang digunakan adalah benih
padi varietas Ciherang, pupuk organik (kompos), timah, selotip,dan tanah sawah
yang siap ditanami. Software yang digunakan diantaranya Arduino IDE 1.6.6,
MATLAB R2015a, ECH2O Utility dan Microsoft Excel. Gambar alat dapat dilihat
pada Lampiran 2.
Prosedur Penelitian
Penelitian ini dilakukan dalam 3 tahap yaitu pengambilan data cuaca,
perancangan sistem kendali dan aplikasi sistem kendali. Metode pengambilan data
cuaca meliputi persiapan alat, kalibrasi sensor, pemasangan alat dan pengambilan
data. Perancangan simulasi kendali meliputi penentuan masukan dan keluaran
sistem, penentuan inferensi fuzzy, dan simulasi matematis sistem kendali. Aplikasi
sistem kendali terdiri dari pembuatan program, perakitan alat kendali, uji coba alat.
Diagram alir prosedur penelitian dapat dilihat pada Lampiran 1.
Pengambilan data cuaca
1. Kalibrasi sensor
Pada penelitian ini digunakan data primer yang diperoleh dari hasil
pemantauan kondisi di ladang. Data yang diambil adalah kondisi cuaca seperti
curah hujan, radiasi, kecepatan angin dan tinggi muka air. Sensor yang dikalibrasi
hanya sensor ketinggian muka air (ETape -30) sedangkan sensor yang lain bekerja
normal bersama dengan decagon. Metode kalibrasi sensor tinggi muka air
dilakukan dengan cara memasang sensor pada alat data logger decagon EM 50
melalui port yang tersedia dan arduino uno. Jenis data yang masuk dalam decagon
dibuat dengan format arus listrik atau milivolt (0-3000). Data yang didapat diolah
dalam grafik dengan bantuan program Microsoft Excel dimana sumbu x adalah
hasil bacaan sensor dan sumbu y adalah tinggi muka air. Persamaan garis
7
didapatkan dengan regresi linear. Apabila nilai koefisien determinasi R2 adalah
lebih dari 0.9 maka hasil kalibrasi benar.
2. Pemasangan alat
Sensor muka air tanah harus dilindungi dengan paralon yang dilubangi
sebesar 3 mm di seluruh permukaan paralon agar air dapat masuk namun tanah atau
partikel lainnya tidak mengganggu kerja sensor. Posisi sensor harus dalam kondisi
horizontal. Kabel sensor ETape harus diberi pelindung agar tidak rusak.
Penempatan setiap sensor diusahakan sedekat mungkin dengan data logger agar
data lebih akurat.
3. Pengambilan data
Data diambil setiap hari dan diukur secara otomatis setiap 30 menit lalu
direkam dalam decagon EM50. Ladang dibagi menjadi 3 petak perlakuan yaitu
rezim tergenang, rezim basah dan rezim kering. Masing-masing memiliki nilai
tinggi muka air yang diharapkan masing-masing sebesar 20mm, 0 mm dan 0 mm
di atas permukaan tanah pada tahap 20 - 30 HST. Data yang diambil berupa
kecepatan angin, curah hujan, radiasi, dan tinggi muka air.
Perancangan sistem kendali
1. Penentuan masukan dan keluaran sistem
Sistem kendali yang dirancang pada penelitian kali ini adalah sistem kendali
yang berbasis fuzzy Sugeno. Persamaan ini juga dilengkapi dengan faktor - faktor
alami seperti evapotranspirasi, transpirasi, infiltrasi, transpirasi dan perkolasi
berdasarkan pendekatan-pendekatan aliran air dalam sistem tanaman – tanaman
atmosfer seperti dapat ditemukan dalam Hillel (1980) serta Bear dan Verujit (1987).
Evapotranspirasi
Irigasi dan Hujan
Limpasan
Titik Jenuh
Kapasitas Lapang
Titik Layu Permanen
Kenaikan Kapilaritas
Perkolasi
Sumber: http://www.fao.org
Gambar 2 Skema Keseimbangan air di lahan
Persamaan keseimbangan air (water balance) pada lahan dapat dimodelkan
dalam simulasi yang dibuat di Microsoft Excel Visual Basic. Program MATLAB
digunakan untuk pengujian trial and error model keanggotaan fuzzy yang dibuat
yang kriterianya adalah kehalusan hasil fuzzifikasi yang keluar. Input yang
digunakan dalam sistem ini adalah kesalahan (error) dan perubahan kesalahan
(delta error) dari variabel ketinggian yang diolah oleh sistem. Error adalah
8
besarnya perbedaan nilai variabel yang diinginkan (nilai acuan) dengan kondisi
yang terjadi dan nilainya bisa negatif maupun positif. Delta error adalah perubahan
error yang terjadi selama kinerja sistem. Semakin besar delta error menunjukkan
cepatnya perubahan error menuju nilai acuan. Model himpunan keanggotaan fuzzy
dapat dilihat pada Gambar 3 dan 4. Keluaran sistem adalah lama bukaan valve
irigasi dan drainase. Debit irigasi dibantu dengan pompa. Perhitungan debit pompa
dilakukan dengan persamaan berikut:
E=WL- Sp
DE=E - E
Q=
V
t
(3)
(4)
(5)
Keterangan :
WL = Tinggi muka air (cm)
Sp
= Nilai acuan (cm)
E
= Error (cm)
DE
= Selisih error yang terjadi dari ritasi 1 ke ritasi 2 (cm)
E2
= Error setelah (cm)
E1
= Error sebelum (cm)
Q
= debit pompa (cm3/detik)
V
= Volume air (cm3)
t
= waktu (detik)
Pada pengembangan simulasi ini persamaan (Gambar 2) yang digunakan adalah :
WLi =WL i- + Rf + I – ET – P – Ro –D *Δt
Keterangan :
I
D
ET
P
Ro
Rf
WLi
WL(i-1)
Δt
(6)
= Irigasi (mm/waktu)
= Drainase (mm/waktu)
= Evapotranspirasi (mm/waktu)
= Perkolasi (mm/waktu)
= Aliran permukaan (mm/waktu)
= Presipitasi (mm/waktu)
= Tinggi muka air pada saat i (mm)
= Tinggi muka air sebelumnya (mm)
= waktu
Nilai batas atas dan bawah dari himpunan anggota dari kedua masukan adalah
[-2,2] , hal ini diperoleh dari sistem trial and error dan dengan tujuan agar sistem
bekerja lebih teliti dan memperbaiki error sedikit demi sedikit.
2. Penentuan inferensi fuzzy
Sistem inferensi fuzzy yang digunakan adalah Sugeno dengan fungsi
implikasi min. Sistem inferensi Sugeno dipilih karena lebih efisien, bekerja lebih
baik dengan sistem linear, dan cocok untuk analisis matematis dan optimalisasi
(Matworks 2015). Pengembangan sistem irigasi dengan basis fuzzy sudah dilakukan
9
sebelumnya oleh Sofwan (2005) namun tidak spesifik untuk sistem pertanian
tertentu maupun menggunakan sensor dan fuzzifikasi yang berbeda pula.
Rendah
Normal
Agak Rendah
Tinggi
Agak Tinggi
1
0.5
0
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Gambar 3 Himpunan keanggotaan dari masukan error (cm)
Negatif
Positif
Normal
1
0.5
0
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
Gambar 4 Himpunan keanggotaan dari masukan delta error (cm)
Komposisi aturan dibuat berdasarkan tujuan yang ingin dicapai yaitu waktu
bukaan yang sesuai agar volume air yang masuk bisa diatur dan tinggi muka air
berubah. Asumsi debit yang terjadi untuk irigasi dengan bantuan pompa akuarium
HL-881 adalah 122.69 cm3/dt. Debit drainase jauh lebih kecil karena tanpa bantuan
pompa yaitu 37.56 cm3/dt. Terdapat 15 aturan dalam sistem ini dan bisa dilihat pada
Tabel 1.
Tabel 1 Matriks keputusan untuk keluaran berupa waktu bukaan valve
Error
Delta
Error
Negatif
Normal
Positif
Rendah
Agak
Rendah
Irigasi
Besar
Irigasi
Besar
Irigasi
Sedang
Irigasi
Sedang
Irigasi
Kecil
Irigasi
Kecil
Normal
Stop
Stop
Stop
Keterangan :
Drainase Besar
Drainase Sedang
Drainase Kecil
= Memiliki konstanta -15 detik
= Memiliki konstanta -10 detik
= Memiliki konstanta -5 detik
Agak
Tinggi
Tinggi
Drainase
Kecil
Drainase
Kecil
Drainase
Sedang
Drainase
Sedang
Drainase
Besar
Drainase
Besar
10
Stop
Irigasi Kecil
Irigasi Sedang
Irigasi Besar
= Memiliki konstanta 0 detik
= Memiliki konstanta 1 detik
= Memiliki konstanta 3 detik
= Memiliki konstanta 5 detik
Hasil dari komposisi aturan adalah waktu bukaan valve dengan proses
defuzzifikasi Sugeno. Proses defuzzifikasi dengan bantuan program MATLAB
dapat dilihat pada Gambar 9.
3. Penentuan tinggi muka air acuan
Pengaturan pola penggenangan di lahan dilakukan berdasarkan grafik
pengontrolan tinggi muka air pada Gambar 5, 6 dan 7. Setiap pola pengenangan
dilakukan pada satu petakan, sehingga setiap petakan memiliki kondisi (rezim)
yang berbeda.
Tinggi Muka Air (cm)
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
HST
Gambar 5 Grafik sistem irigasi rezim tergenang (RT)
Tinggi Muka Air (cm)
4
2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
HST
Gambar 6 Grafik sistem irigasi rezim basah (RB)
Adapun dalam pengaturannya diberi nama menjadi rezim tergenang pada
budidaya padi konvensional, rezim basah dan rezim kering pada budidaya padi SRI.
Pada rezim tergenang (Gambar 5) tinggi muka air dijaga pada ketinggian 2 cm
selama 70 hari setelah tanam (HST), kemudian dilakukan penurunan tinggi muka
air secara bertahap hingga masa panen (Sujono 2011). Ketinggian muka air pada
rezim basah (Gambar 6) dijaga 1 cm selama 20 HST, kemudian diatur tinggi airnya
sebesar 0 cm dari 20 HST hingga masa panen (Sujono 2011). Terakhir, pengaturan
tinggi air pada rezim kering (Gambar 7) hampir sama dengan rezim basah, hanya
saja pada 20 HST hingga 30 HST tinggi muka air dijaga 0 cm, kemudian dari 30
11
Tinggi Muka Air (cm)
HST dilakukan penurunan tinggi muka air sebesar -5 cm dari permukaan tanah
hingga masa panen berlangsung.
4
2
0
-2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
-4
-6
HST
Gambar 7 Grafik sistem irigasi rezim kering (RK)
Aplikasi sistem kendali
1. Pembuatan program dan perakitan alat kendali
Hardware arduino diprogram menggunakan bahasa pemrograman wiringbased yang berbasiskan syntax dan library. Pemrograman wiring-based ini tidak
berbeda dengan C/C++, tetapi dengan beberapa penyederhanaan dan modifikasi
untuk memudahkan dalam pengembangan aplikasinya. Microcontroller arduino
juga menggunakan Integerated Development Environment (IDE) berbasis
processing (Banzi, 2009). Selenoid valve yang digunakan masing-masing 1 untuk
irigasi dan drainase. Selenoid valve hanya bisa buka dan tutup tanpa bisa diatur
debitnya. Rakitan alat bisa dilihat pada Lampiran 2.
2. Uji performa sistem kendali di laboratorium
Uji peforma dilakukan unutk mengevaluasi sistem kendali fuzzy yang telah
dibangun di perhitungan matematis dan pemodelan dengan bantuan perangkat
lunak Ms.Excel dan MATLAB. Jika simulasi matematis telah dianggap baik
berdasarkan error dan lag secara kuantitatif maka hasil matematis tersebut
digunakan sebagai referensi simulasi aktual (Ibrahim 2015). Sistem membaca
kondisi tinggi muka air dari pot lalu mempertimbangkan kondisi aktual secara
fuzzy, selanjutnya memberikan keluaran berupa lama bukaan dan memberikan
sinyal ke relay dan terakhir mengaktifkan aktuator yang akan dibuka. Sistem ini
akan bekerja beruang–ulang (loop) sampai tinggi muka air tepat pada nilai acuan.
Pengujian dilakukan dengan nilai acuan yang berbeda dan mengacu pada tinggi
muka air acuan yang dirancang untuk dilakukan di lahan. Simulasi matematis
dirancang dalam kondisi tanpa gangguan dan faktor cuaca. Simulasi menggunakan
referensi tinggi muka air acuan. Skema kerja sistem kendali dapat dilihat pada
Gambar 8. Simulasi matematis dilakukan di pot yang berisi tanah untuk melihat
respons kendali secara langsung. Evaluasi dilakukan dengan metode MAPE (mean
absolute precentage error).
Keterangan:
M
= Nilai MAPE (%)
n
= Jumlah data
=
�� − �
|�
��
∑�= |
%
(7)
12
At
Ft
= Nilai aktual (cm)
= Nilai ramalan dari model (cm)
Metode ini membandingkan hasil peramalan dari model yang dibangun dengan
hasil aktual. Metode ini lebih mudah dipahami karena disajikan dalam persentase
(Hyndman dan Koehler 2006). Jika MAPE < 25% maka hasil simulasi dan validasi
dapat diterima dengan memuaskan (Makridakis et al 1983). Apabila MAPE