Pengembangan Sistem Pemantauan Suhu pada Greenhouse Berbasis Wireless Menggunakan Multi Sensor
PENGEMBANGAN SISTEM PEMANTAUAN SUHU
PADA GREENHOUSE BERBASIS WIRELESS
MENGGUNAKAN MULTI SENSOR
HELDI HASTRIYANDI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Pengembangan Sistem
Pemantauan Suhu pada Greenhouse Berbasis Wireless Menggunakan Multi
Sensor adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan
belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun.
Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun
tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan
dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, 25 September 2014
Heldi Hastriyandi
NIM G651120151
RINGKASAN
HELDI HASTRIYANDI.
Pengembangan Sistem Pemantauan Suhu pada
Greenhouse Berbasis Wireless Menggunakan Multi Sensor. Dibimbing oleh
KUDANG BORO SEMINAR dan HERU SUKOCO.
Greenhouse adalah bangunan khusus terstruktur untuk menyediakan
lingkungan yang nyaman dan terkendali untuk budidaya tanaman, salah satu
parameter penting dalam rumah kaca adalah suhu udara. Besarnya suhu udara dan
distribusi suhu yang terjadi di dalam greenhouse harus dipantau dan dikendalikan
untuk mendukung pertumbuhan optimal bagi tanaman yang dibudidayakan untuk
jangka waktu produksi tertentu. Namun, pengukuran dan pemantauan suhu udara
baik untuk greenhouse dengan ukuran medium atau besar harus menggunakan
multi sensor untuk memastikan distribusi suhu udara dapat terpantau dengan baik
dibeberapa lokasi di dalam greenhouse. Penelitian ini mengusulkan
pengembangan sistem pemantauan suhu menggunakan teknologi nirkabel dengan
beberapa sensor pada greenhouse. Hal ini memungkinkan pemantauan suhu
menjadi lebih representatif dan komprehensif sesuai lokasi penempatan sensor di
dalam greenhouse.
Pengembangan sistem pemantauan suhu ini terdiri atas tiga bagian utama.
Bagian pertama berupa modul sensor node router yang terdiri dari sensor suhu
LM35, mikrokontroler Arduino Leonardo, dan modul Xbee transmitter. Modul
sensor node router ini berfungsi untuk melakukan pengiriman data suhu pada
masing-masing lokasi atau zona pengukuran yaitu zona atap, zona dinding, zona
tanaman, dan zona lantai. Bagian kedua berupa modul sensor node coordinator
yang terdiri dari Xbee receiver dan Xbee usb adapter, modul ini berfungsi untuk
melakukan akuisisi data suhu pada masing-masing sensor node router kemudian
data tersebut dikirim ke komputer server. Bagian ketiga dari sistem ini berupa
tampilan antarmuka berbasis aplikasi web yang dibangun menggunakan bahasa
pemrograman PHP serta untuk disain database menggunakan phpmyadmin.
Pengembangan sistem pemantauan suhu ini telah melalui beberapa tahapan
pengujian diantaranya yaitu dengan melakukan kalibrasi sensor LM35 terhadap
alat ukur suhu standar berupa hybrid thermocouple recorder, serta pengujian
terhadap pengiriman data dari sensor node router ke bagian sensor node
coordinator menggunakan komunikasi wireless. Sistem pemantauan suhu ini
dibangun untuk memberikan informasi mengenai distribusi suhu yang terjadi pada
beberapa zona pengamatan antara lain zona atap, zona dinding, zona tanaman,
serta zona lantai. Sistem ini diimplementasikan dalam bentuk web sehingga dapat
diakses oleh pengguna.
Kata Kunci : Greenhouse, Multi sensor, Pengukuran suhu, Sistem pemantauan,
Teknologi nir-kabel.
SUMMARY
HELDI HASTRIYANDI. The Development of Greenhouse Temperature
Monitoring System Based On Wireless Using Multi Sensor. Supervised by
KUDANG BORO SEMINAR and HERU SUKOCO.
Greenhouse is a specially structured building for providing a comfortable
and controllable environment for crop cultivation. One of the critical parameters
in a greenhouse is temperature. The magnitude and distribution of temperature in
greenhouse must be monitored and controlled to support optimal growth of the
cultivated crop in a more deterministic period of production. However, the
measuring and monitoring of air temperature within a medium or big size of a
greenhouse should utilize multi sensors to ensure the capturing of temperature
distribution in various position representatives in a greenhouse. This research
proposed the development of a wireless temperature monitoring system in a
greenhouse using multiple sensors that can be place at several positions of
interest. This will allow more representative and comprehensive temperature
monitoring from remote places.
The proposed temperature monitoring system consists of three main parts.
The first part of a sensor node router module which consists of a LM35
temperature sensor, microcontroller Arduino Leonardo, and XBee transmitter
module. The sensor node router module serves to transmit temperature data at
each location including roof zone, wall zone, plants zone, and floor zone.The
second part is a sensor node coordinator module consists of XBee receiver and
XBee usb adapter module, this module serves to acquire of temperature data from
each sensor node router and the data is sent to computer server. The third part is
the user interface based on web applications developed using PHP programming
languages and phpMyAdmin for database design. The temperature monitoring
system has gone through several stages of testing including calibration of LM35
sensor with a standard temperature measuring tool that is a hybrid thermocouple
recorder, and testing the data transmission from the sensor nodes router module to
the sensor node coordinator module using wireless communication. The system
has been developed to provide information of temperature distribution at several
observation zones including roof zone, wall zone, plants zone, and floor zone.
The system has been implemented on web platform to allow wide access of users.
Keywords : Greenhouse, Multi Sensor System, Temperature Measurement,
Monitoring systems, Wireless Technology.
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2014
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
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
PENGEMBANGAN SISTEM PEMANTAUAN SUHU PADA
GREENHOUSE BERBASIS WIRELESS MENGGUNAKAN
MULTI SENSOR
HELDI HASTRIYANDI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Ilmu Komputer
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis:
Dr Ir Sri Wahjuni MT
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Januari 2014 ini ialah
Teknologi, dengan judul Pengembangan Sistem Pemantauan Suhu pada
Greenhouse Berbasis Wireless menggunakan Multi Sensor.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof Dr Ir Kudang Boro
Seminar MSc dan DrEng Heru Sukoco SSi MT selaku pembimbing, serta Ibu Dr
Ir Sri Wahjuni MT sebagai penguji yang telah banyak memberi saran. Di samping
itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Bapak Ahmad dari Laboratorium
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem yang telah membantu selama
pengumpulan data. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu,
serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, September 2014
Heldi Hastriyandi
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
vi
vii
viii
1
1
2
2
2
2 TINJAUAN PUSTAKA
Greenhouse
Parameter Lingkungan Greenhouse
Arduino
Protokol Zigbee
Modul Xbee
Apache web server
Penelitian Terkait
3
3
4
4
8
8
8
3 METODE
Waktu dan Tempat
Komponen Intrumentasi Alat dan Bahan
Tahapan Pelaksanaan Penelitian
Tahapan Perancangan Sistem Pemantauan Suhu pada Greenhouse
Berbasis Wireless dengan Multi Sensor
Perancangan prototype modul sensor node router (transmitter)
Sensor
Mikrokontroler DFRobot Leonardo dengan socket Xbee
Xbee transmitter
Software Pemrograman pada mikrokontroler DFRobot Leonardo
Software Xbee transmitter
Perancangan akuisisi data secara nirkabel (wireless)
Xbee receiver
Modul Xbee USB adapter
Perancangan software xbee receiver pada sensor node coordinator
Perancangan software antarmuka berbasisi aplikasi web
9
9
10
11
13
13
14
16
17
17
18
19
19
20
20
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Implementasi tahap perancangan sistem pemantauan suhu
Implementasi prototype sensor node router
Implementasi software pemrograman pada mikrokontroler Leonardo
21
21
22
Implementasi software Xbee transmitter
Pengujian hasil prototype sensor node router
Implementasi akuisisi data secara nirkabel (wireless)
Implementasi prototype sensor node coordinator
Implementasi software Xbee receiver
Pengujian hasil akuisisi data secara nirkabel (wireless)
Implementasi software antarmuka berbasis aplikasi web
Implementasi database
Implementasi aplikasi web
Pengujian modul realtime monitoring pada website
Pengujian modul datalog non realtime pada website
5. SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
24
25
27
27
27
28
29
29
31
35
37
38
38
38
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
RIWAYAT HIDUP
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Model produk arduino
Susunan rangkaian dengan sensor suhu LM35
Perbandingan pengukuran suhu pada HT recorder dan sensor LM35
Susunan struktur data pada perancangan sensor node router
Susunan struktur data pada perancangan akuisisi data
Struktur tabel data suhu atap
Struktur tabel data suhu dinding
Struktur tabel data suhu tanaman
Struktur tabel data suhu lantai
Struktur tabel admin
4
22
25
26
28
30
30
30
30
31
DAFTAR GAMBAR
1 Arsitektur IEEE 802.15.4 / Zigbee Protocol Stack
5
2 Model topologi jaringan Zigbee
6
3 Model topologi Star
7
4 Greenhouse Leuwikopo Institut Pertanian Bogor
9
5 Tata laksana penelitian
6 Tahapan Perancangan Sistem Pemantauan Suhu pada Greenhouse
berbasis Wireless dengan Multi Sensor
7 Diagram blok sistem pemantauan suhu pada Greenhouse
berbasis wireless menggunakan multi sensor
8 Perancangan penempatan modul sensor node router dengan
komunikasi wireless
9 Modul sensor node router
10 Sensor suhu LM35
11 DFRobot Leonardo dengan Xbee socket
12 Xbee Series 2
13 Pemasangan Xbee transmiter pada DFRobot Leonardo
melalui xbee socket
14 Tampilan antarmuka Software Arduino Versi 1.0.4
15 Tampilan antarmuka Software X-CTU
16 Modul sensor node coordinator (receiver) dan komputer
server
17 Modul Xbee USB Adapter
18 Tampilan Website Greenhouse Temperature Monitoring
System
19 Skema rangkaian Dfrobot Leonardo dengan sensor suhu
LM35
20 Skema rangkaian empat buah sensor suhu LM35 pada
mikrokontroler Dfrobot Leonardo
21 Pengaturan Xbee transmitter
22 Grafik persamaan regresi alat ukur suhu standar HT recorder
dengan sensor suhu LM35
23 Hasil Pengujian sensor node router dengan komunikasi
serial menggunakan kabel USB
24 Instalasi pemasangan sensor suhu LM35 pada bangunan Greenhouse
25 Perangkat sensor node coordinator
26 Pengaturan Xbee transmitter
27 Hasil pengujian akuisisi data menggunakan komunikasi serial secara
nirkabel (wireless)
28 Halaman utama aplikasi web untuk Website Greenhouse
10
11
12
12
13
14
15
16
16
17
18
19
19
20
21
22
24
25
26
26
27
28
29
31
Temperature Monitoring System
Halaman menu realtime monitoring suhu
Halaman menu datalog non realtime
Halaman menu user manajemen
Halaman menu galery design systems
Halaman menu about us
Halaman submenu developer team
Tampilan halaman contact us
Contoh grafik realtime hasil pengamatan suhu pada zona atap
Contoh grafik realtime hasil pengamatan suhu pada zona dinding
Contoh grafik realtime hasil pengamatan suhu pada zona tanaman
Contoh grafik realtime hasil pengamatan suhu pada zona
Tampilan kotak dialog konfirmasi download file datalog suhu non
realtime
41 Tampilan datalog suhu non realtime pada aplikasi Excel
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
DAFTAR LAMPIRAN
1 Sourcecode Program Mikrokontroler DFLeonardo
Node Zona Atap
2 Sourcecode Program Mikrokontroler DFLeonardo
Node Zona Atap
3 Sourcecode Program Mikrokontroler DFLeonardo
Node Zona Dinding
4 Sourcecode Program Mikrokontroler DFLeonardo
Node Zona Tanaman
5 Sourcecode Program Mikrokontroler DFLeonardo
Node Zona Lantai
6 Sourceode Pemrograman pada Aplikasi WEB
Prototype Sensor
Prototype Sensor
Prototype Sensor
Prototype Sensor
Prototype Sensor
32
32
33
33
34
34
35
35
36
36
37
37
38
1
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pertanian adalah sektor yang paling serius terkena dampak perubahan
iklim. Beberapa unsur iklim yang mengalami perubahan antara lain pola curah
hujan, muka air laut, suhu udara, dan peningkatan kejadian iklim ekstrim yang
menyebabkan banjir dan kekeringan (Haryono 2011). Perubahan iklim serta
keadaan cuaca yang tidak menentu menyebabkan musim tanam dan panen tak
menentu. Petani sulit untuk melakukan prediksi cuaca dalam masa tanam,
sementara pergeseran pola cuaca dapat meningkatkan kerentanan tanaman
terhadap infeksi serangan hama dan gulma. Dampak perubahan iklim terhadap
sektor pertanian dapat diantisipasi salah satunya dengan adaptasi teknologi
inovatif berupa penggunan teknologi greenhouse atau rumah tanaman. Teknologi
greenhouse atau rumah tanaman merupakan sebuah alternatif solusi untuk
mengendalikan kondisi iklim mikro pada tanaman. Greenhouse merupakan
sebuah bangunan tempat budidaya tanaman dengan pengaturan beberapa
parameter di dalamnya agar dapat disesuaikan dengan kebutuhan tumbuh
kembang tanaman yang sedang dibudidayakan. Menurut Suhardiyanto (2009),
penggunaan greenhouse dalam budidaya tanaman merupakan salah satu cara
untuk memberikan lingkungan yang lebih mendekati kondisi optimum bagi
pertumbuhan tanaman. Penggunaan greenhouse atau rumah tanaman
memungkinkan dilakukannya modifikasi lingkungan yang tidak sesuai bagi
pertumbuhan tanaman menjadi lebih mendekati kondisi optimum bagi
pertumbuhan tanaman.
Tanaman akan memberikan respon fisiologi akibat interaksinya dengan
kondisi lingkungan. Parameter lingkungan dalam greenhouse diantaranya adalah
suhu udara. Setiap golongan tanaman mempunyai batas suhu maksimum yang
berbeda-beda untuk perkembangan optimalnya. Suhu udara sangat mempengaruhi
aktifitas kehidupan tanaman diantaranya pada proses fotosintesis, respirasi,
transpirasi, pertumbuhan, penyerbukan, pembuahan, dan keguguran buah.
Menurut Mastalerz (1977) dalam Nurianingsih (2011) menyatakan bahwa suhu
didalam greenhouse dapat meningkat disebabkan oleh dua alasan, yaitu karena
greenhouse effect dan struktur bangunan greenhouse yang merupakan ruangan
tertutup sehingga sirkulasi menjadi tidak lancar. Aliran dan distribusi suhu udara
di dalam bangunan greenhouse perlu dijaga sirkulasinya agar udara panas yang
terjebak tidak terus meningkat melebihi intensitas penyerapan panas yang
dibutuhkan untuk pertumbuhan tanaman. Menurut Suhardiyanto (2009),
perbedaan laju dan arah pertukaran panas yang terjadi antara bangunan
greenhouse dan lingkungan sekitarnya juga merupakan salah satu penyebab
berbedanya iklim mikro di dalam greenhouse. Bangunan greenhouse akan
mengalami pertambahan dan/atau kehilangan panas baik itu secara radiasi,
konveksi maupun konduksi. Perpindahan panas ini dapat terjadi melalui atap,
dinding, ventilasi, peralatan, lantai dan tanah di bawah greenhouse. Dengan
adanya greenhouse effect maupun pertukaran panas maka diperlukan suatu sistem
yang dapat memantau perubahan suhu tersebut.
2
Untuk memantau perubahan suhu yang terjadi di dalam greenhouse
terutama kondisi suhu yang terjadi di sekitar tanaman maupun di sekitar bagian
atap, dinding, dan lantai maka diperlukan suatu sistem pemantauan yang dapat
memantau perubahan tersebut secara realtime, beberapa penelitian mengenai
pemantauan suhu udara pada bangunan greenhouse diantaranya penelitian yang
telah dilakukan oleh Rinaldi (2006) maupun Apriyani (2006), pada kedua
penelitian ini peralatan yang digunakan berupa satu unit Portable Weather Station
yang hanya terdiri dari satu buah sensor suhu. Penelitian lainnya dilakukan oleh
Arif (2009), pada penelitian ini jenis sensor yang digunakan berupa satu unit Field
Sever yang terdiri dari satu buah sensor suhu. Dari beberapa penelitian yang telah
dilakukan, mendeteksi suhu udara dengan hanya menggunakan satu buah sensor
yang di tempatkan pada salah satu posisi pada bangunan greenhouse masih
mempunyai
beberapa kelemahan di antaranya pada aspek pemantauan dan
distribusi suhu sehingga menyebabkan pemantauan suhu udara menjadi tidak
optimal. Hal ini didasarkan pada hasil penelitian yang telah dilakukan oleh
Nurianingsih (2011) dan Faudah (2012), pada penelitian ini dilakukan simulasi
terhadap suhu udara pada bangunan greenhouse menggunakan perangkat lunak
CFD (Computational Fluid Dynamic). Dari hasil simulasi yang dilakukan
didapatkan bahwa didalam bangunan greenhouse terjadi sebaran maupun
distribusi panas dari suhu udara yang tidak merata. Untuk mengatasi hal tersebut,
maka dilakukan pengembangan sistem pemantauan suhu pada greenhouse yaitu
dengan menempatkan multi sensor suhu yang disebar di beberapa posisi observasi
yang memungkinkan untuk dilakukan analisis pemantauan suhu yang lebih
representatif dan komprehensif pada bangunan greenhouse terutama suhu di
sekitar tanaman, atap, dinding, dan lantai, sehingga sebaran dan distribusi suhu
udara di dalam greenhouse dapat terpantau dengan baik. Dengan perkembangan
teknologi terutama pada teknologi mikrokontroler, sensor, serta teknologi wireless
maka pengembangan pada sistem pemantauan suhu pada greenhouse sangat
mungkin untuk dilakukan.
Tujuan Penelitian
a.
Merancang pengembangan sistem pemantauan suhu pada greenhouse
menggunakan teknologi wireless dengan multi sensor.
b. Melakukan evaluasi terhadap sistem pemantauan suhu yang telah dibuat.
Manfaat Penelitian
Memberikan informasi mengenai data hasil pemantaun sensor suhu yang
ditempatkan di beberapa lokasi/zona pada bangunan greenhouse dan dapat
diakses oleh user.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup penelitian dibatasi pada perancangan pengembangan sistem
pemantauan suhu pada greenhouse dengan komunikasi wireless menggunakan
multi sensor berupa sensor suhu LM35, perancangan akuisisi data secara nirkabel
3
(wireless) dengan protokol Zigbee, perancangan software antarmuka berbasis
aplikasi web dengan bahasa pemrograman PHP, MySQL, Javascript.
2 TINJAUAN PUSTAKA
Greenhouse
Greenhouse merupakan suatu bangunan yang berfungsi untuk melindungi
tanaman dari berbagai macam gangguan cuaca seperti hujan, angin, dan intensitas
radiasi matahari yang tinggi serta melindungi tanaman dari serangan hama
penyakit. Pada umumnya greenhouse diperlukan untuk tanaman yang memiliki
nilai ekonomi yang cukup penting seperti berbagai jenis tanaman bunga-bungaan
diantaranya mawar, anyelir, gladiol, anggrek, dan krisan, tanaman sayur-sayuran
diantaranya tomat, kapri, brokoli, sawi, dan paprika, tanaman buah-buahan
diantaranya melon, anggur, dan semangka. Rancangan greenhouse yang paling
sesuai dan banyak digunakan di kawasan yang beriklim tropika seperti Indonesia
adalah modified standard peak dengan jumlah bentangan satu atau lebih
(Suhardiyanto 2009). Modified standard peak greenhouse banyak digunakan di
Indonesia karena sesuai dengan kondisi iklim Indonesia yang memiliki intensitas
radiasi matahari dan curah hujan yang tinggi. Struktur greenhouse berinteraksi
dengan parameter iklim di sekitarnya dan menciptakan iklim mikro di dalamnya
berbeda dengan parameter iklim di sekitar greenhouse, hal ini disebut sebagai
peristiwa efek rumah kaca (greenhouse effect). Suhardiyanto (2009) menyebutkan
greenhouse effect disebabkan oleh dua hal, yaitu:
1. Pergerakan udara di dalam greenhouse yang relatif sangat sedikit atau
cenderung stagnan karena struktur rumah tanaman yang tertutup dan laju
pertukaran udara di dalam rumah tanaman dengan lingkungan luar yang
sangat kecil. Hal ini menyebabkan suhu udara di dalam rumah tanaman
cenderung lebih tinggi daripada di luar.
2. Radiasi matahari gelombang pendek yang masuk ke dalam rumah
tanaman melalui atap diubah menjadi radiasi gelombang panjang. Radiasi
gelombang panjang ini tidak dapat keluar dari rumah tanaman dan
terperangkap di dalamnya. Hal ini menimbulkan greenhouse effect yang
menyebabkan meningkatnya suhu udara di dalam rumah tanaman.
Parameter Lingkungan Greenhouse
Pertumbuhan tanaman sangat dipengaruhi oleh suhu udara, perubahan
beberapa derajat saja sudah menyebabkan perubahan yang nyata dalam laju
pertumbuhan. Pada tahap tertentu dalam daur hidup tanaman, tiap spesies atau
varietas mempunyai suhu minimum, rentang suhu optimum dan suhu maksimum.
Di bawah suhu minimum ini tanaman tidak akan tumbuh, pada rentang suhu
optimum, laju tumbuhnya paling tinggi dan di atas suhu maksimum tanaman tidak
akan tumbuh bahkan mati. Naiknya suhu membuat udara mampu membawa lebih
4
banyak kelembaban. Radiasi gelombang panjang yang terperangkap di dalam
greenhouse menyebabkan naiknya suhu udara di dalam rumah tanaman
(Suhardiyanto 2009).
Arduino
Arduino merupakan board mikrokontroler yang dirancang untuk
memudahkan dalam membangun berbagai aplikasi elektronik. Dari asal katanya,
Arduino berarti “teman yang kuat”. Arduino merupakan hardware yang bersifat
open source yang mulai dikembangkan pada tahun 2005 oleh Massimo Banzi dan
David Cuartielles (Margolis 2011). Untuk pemrograman hardware arduino telah
dikembangkan software khusus yaitu Integrated Development Environment (IDE)
Arduino yang
dibangun menggunakan bahasa pemrograman Java oleh
Massachusetts Institute of Technology. Arduino memiliki beberapa varian model
berdasarkan jenis chip processor yang digunakan. Tabel 1 memperlihatkan model
produk Arduino.
Tabel 1 Model produk Arduino
Flash
Digital
Analog
Processor
Model
Memory
I/O
PWM Input
(kb)
pin
pin
Diecimilia
Atmega168
16
14
6
6
Due
Atmel Sam3u
256
54
16
16
Duemilanove
Atmega
16/32
14
6
6
168/328P
Fio
Atmega 328P
32
14
6
8
Leonardo
Atmega 32u4
32
14
6
6
Lily Pad
Atmega
16
14
6
6
168/328V
Mega 1280 Atmega 1280
128
54
14
16
Mega 2560 Atmega 2560
256
54
14
16
Nano
Atmega
16/32
14
6
8
168/328
Uno
Atmega 328P
32
14
6
6
(Sumber : Margolis 2011)
Protokol Zigbee
Protokol Zigbee merupakan protokol yang bekerja pada jaringan wireless
dengan standar 802.15.4 yang memberikan keunggulan diantaranya : pengiriman
data rate rendah, konsumsi daya rendah, dan biaya murah (Ergen 2004). Protokol
zigbee sering digunakan pada aplikasi remote control dan otomasi. Penggunaan
protokol 802.15.4 semakin meningkat terutama berhubungan dengan penggunaan
wireless sensor network pada bidang penelitian dan teknologi industri (Cunha et
al. 2007). Protokol 802.15.4 bekerja pada lapisan Medium Access Control (MAC)
dan lapisan Physical Layer. ZigBee Alliance bertujuan memberikan lapisan atas
5
dari stack protokol dari lapisan jaringan ke lapisan aplikasi untuk jaringan data,
pemasaran teknik, dan standar terkini untuk evolusi standar. Hal ini akan
menjamin konsumen yang membeli produk dari produsen berbeda yakin bahwa
produk akan dapat bekerja bersama (Ergen 2004). Gambar 1 memperlihatkan
arsitektur IEEE 802.15.4/ZigBee Protocol Stack
.
Gambar 1 Arsitektur IEEE 802.15.4/ZigBee Protocol Stack
(Sumber : Cunha et al. 2007)
Dari gambar 1 dapat dilihat bahwa Protokol stack Zigbee/802.15.4
mempunyai beberapa lapisan yang mempunyai fungsi yang berbeda-beda. Fungsi
dari setiap lapisan antara lain :
a. Lapisan fisik (PHY)
Lapisan PHY menyediakan dua layanan: layanan data PHY dan layanan
manajemen PHY interface ke entitas manajemen lapisan fisik. Layanan data PHY
memungkinkan transmisi dan penerimaan unit data protokol PHY di saluran
radio fisik (Ergen 2004). Lapisan ini bekerja pada radio channel dan dukungan
band 2.45GHz dan 868/915 MHz. Pada band 2.45GHz radio band memiliki data
rate 250 Kbps dan mendukung 16 channel. Band 868/915 MHz mendukung satu
channel untuk 868 MHz dengan data rate 20 Kbps dan 10 channel untuk
915MHz dengan data rate 40Kbps.
b. Lapisan MAC
Pada lapisan MAC menyediakan dua layanan yaitu layanan data MAC dan
layanan manajemen MAC ke interfacing entitas manajemen sublayer untuk jalur
akses layanan data (Ergen 2004). Lapisan MAC bertanggung jawab untuk single
hop komunikasi data antar perangkat yang bertetangga. Hal ini mensinkronisasi
jaringan, mendukung association/disassociation dan MAC-level security, serta
memberikan link yang dapat diandalkan antara dua perangkat. Lapisan MAC
menggunakan mekanisme Carrier Sense Multiple Access with Collision
Avoidance (CSMA/CA) untuk mengakses channel, seperti wireless networks
lainnya seperti IEEE 802.11dan IEEE 802.15.3 (Ergen 2004).
6
c. Lapisan Network
Pada Lapisan Network device pada Zigbee dibagi menjadi 3 tipe yaitu
Network Coordinator, Full Function Device (FFD), Reduced Function Device
(RFD). Network Coordinator memiliki informasi dari keseluruhan jaringan.
Untuk menjaga semua informasi tentang jaringan itu diperlukan lebih banyak
memori dan pengolahan komputasi. Untuk setiap jaringan ZigBee hanya ada satu
koordinator. Simpul ini bertanggung jawab untuk menginisialisasi jaringan,
memilih saluran yang tepat, dan memungkinkan perangkat lain untuk terhubung
ke jaringan. Network Coordinator juga bertanggung jawab untuk routing lalu
lintas dalam jaringan ZigBee (Vishwakarma 2012). FFD adalah perangkat yang
mendukung protokol standar nirkabel yang ditetapkan untuk WSN. FFD juga
dapat mengambil tanggung jawab seperti koordinator jaringan yaitu dengan
menyediakan fasilitas untuk mengambil informasi data. RFD memberikan fungsi
sesuai dengan namanya yakni mempunyai fungsi yang terbatas dan memerlukan
biaya yang rendah. Node ini dapat terhubung dengan node utama berupa router
atau koordinator namun perangkat ini tidak memiliki kemampuan untuk memiliki
node lain yang terhubung ke jaringan.
d. Lapisan Application
Lapisan Application berfungsi untuk melakukan penyesuaian mengenai format
pesan yang sesuai dengan vendor serta melakukan tindakan pengolahan sehingga
aplikasi dapat dijalankan dan didistribusikan pada aplikasi yang berada pada
perangkat yang terpisah. Lapisan ini juga merupakan lapisan yang berhubungan
dengan end user.
Protokol Zigbee merupakan salah satu protokol jaringan yang ditujukan
pada komunikasi tanpa kabel (wireless). ZigBee memiliki 3 model topologi
jaringan yaitu topologi star, Mesh (Peer to Peer) serta Cluster Tree. Gambar 2
memperlihatkan model topologi jaringan Zigbee.
P = Pan Coordinator
F = Full Function Device
R = Reduce Function Device
Gambar 2 Model Topologi Jaringan Zigbee
(Sumber : Ergen 2004)
7
a. Topologi Star
Pada topologi star komunikasi dilakukan antara perangkat dengan sebuah
pusat pengontrol tunggal, disebut sebagai koordinator PAN (Personal Area
Network). Aplikasi dari topologi ini bisa untuk otomasi rumah, perangkat personal
computer (PC), serta mainan anak- anak. Setelah sebuah FFD diaktifkan untuk
pertama kali maka ia akan membuat jaringannya sendiri dan menjadi koordinator
PAN. Setiap jaringan star akan memilih sebuah pengenal PAN yang tidak sedang
digunakan oleh jaringan lain didalam jangkauan radionya. Ini akan mengijinkan
setiap jaringan star untuk bekerja secara tersendiri.
b. Topologi Mesh (Peer to peer)
Dalam topologi peer to peer juga hanya ada satu koordinator PAN.
Berbeda dengan topologi star, setiap perangkat dapat berkomunikasi satu sama
lain sepanjang ada dalam jarak jangkauannya. Peer to peer dapat berupa ad hoc,
Self-organizing dan self healing.
c. Topologi Cluster Tree
Cluster tree merupakan sebuah model khusus dari jaringan peer to peer
dimana sebagian besar perangkatnya adalah Full Function Device (FFD) dan
terdapat beberapa Reduce Function Device (RFD) yang terhubung ke jaringan
cluster tree sebagai node tersendiri di akhir dari percabangan. Salah satu dari FFD
dapat berlaku sebagai koordinator dan memberikan layanan sinkronisasi ke
perangkat lain dan koordinator lain. Koordinator PAN membentuk cluster
pertama yaitu dengan membentuk Cluster head (CLH) dengan sebuah cluster
identifier (CID), memilih sebuah pengenal PAN yang tidak terpakai dan
memancarkan frame-frame beacon ke perangkat sekitarnya. Sebuah perangkat
menerima frame beacon meminta untuk bergabung ke network CLH. Jika
koordinator PAN mengijinkan untuk bergabung, maka akan menambahkan
perangkat baru ini sebagai perangkat turunannya dalam daftar perangkat
disekitarnya. Proses ini berlanjut dilakukan oleh perangkat yang baru ke
perangkat sekitarnya (Ergen 2004).
Topologi yang digunakan dalam penelitian ini menerapkan model topologi
Star karena data hasil pembacaan dari beberapa sensor akan dikirimkan kepada
komputer server yang bersifat terpusat. Gambar 3. memperlihatkan model
topologi star yang digunakan dalam penelitian ini.
P = Pan Coordinator
F = Full Function Device
Gambar 3 Model Topologi Star
8
Modul Xbee
Modul Xbee merupakan suatu modul yang dirancang untuk melakukan
transfer data menggunakan komunikasi nirkabel antar dua device dan aplikasi
jaringan sensor dengan biaya rendah dan berdaya rendah (DI 2009). Xbee
merupakan komunikasi wireless yang bekerja pada frekuensi 2.4G Zigbee,
900Mhz, dan lain-lain. Keunggulan utama dari modul Xbee ini adalah mempunyai
komsumsi daya yang rendah (low power), sehingga walaupun hanya di beri
tegangan baterai biasa masih mampu untuk dihidupkan, mampu melakukan
pengecekan, serta mengirimkan data. Dalam penelitian ini modul Xbee yang
digunakan adalah Xbee series 2 dimana pada series ini memiliki kelebihan yaitu
dukungan terhadap pengiriman data lebih dari dua modul Xbee dengan
menggunakan topologi star maupun mesh, berbeda jika dibandingkan dengan
modul Xbee series 1 yang hanya support untuk komunikasi point-to-point.
Apache Web Server
WebServer merupakan sebuah perangkat lunak dalam server yang
berfungsi menerima permintaan (request) berupa halaman web melalui HTTP atau
HTTPS dari klien yang dikenal dengan web browser dan mengirimkan kembali
(response) hasilnya dalam bentuk halaman-halaman web yang umumnya
berbentuk dokumen HTML Ada beberapa aplikasi web server yang sering
digunakan dan cukup terkenal diantaranya Apache dan ISS (Internet Information
Service). Pada penelitian ini dipilih Apache web server karena bersifat
opensource, lebih stabil, pengaturan relatif lebih mudah, extensible. Untuk
dokumentasi lebih lanjut mengenai Apache dapat merujuk pada website
resminya yaitu : http://www.apache.org.
Penelitian Terkait
Ahonen et al. (2008) dalam penelitiannya mengatakan bahwa penggunaan
sistem kabel dalam sistem monitoring greenhouse dapat menyebabkan kerentanan
serta memerlukan biaya yang mahal dalam proses instalasinya. Dalam
penelitiannya Ahonen et al. mengusulkan penggunaan wireless sensor network
yang berupa node sensor berukuran kecil dengan menggunakan komunikasi
wireless yang terdiri atas radio komunikasi dan beberapa sensor, sehingga posisi
sensor pada sistem yang dibangun dapat dengan mudah dipindah dari satu lokasi
ke lokasi lainya dan lebih effisien dari segi biaya.
Yanfei et al. (2009) dalam penelitiannya mengatakan, teknologi zigbee
merupakan teknologi komunikasi nirkabel yang memiliki keunggulan diantaranya
konsumsi daya rendah, memiliki fault tolerance yang tinggi, dan fleksibel. Dalam
penggunaan skala yang lebih besar teknologi Zigbee dikenal dengan istilah
wireless sensor network (Yanfei et al. 2009). Tahapan design zigbee wireless
sensor network dilakukan berdasarkan empat bagian yaitu : perancangan zigbee
node hardware, perancangan interface, perancangan software pada sisi
coordinator dan perancangan software pada sisi processor.
9
Vrushali et al. (2012) dalam penelitiannya mengatakan, wireless sensor
network adalah kumpulan sensor dan node aktuator yang dihubungkan oleh
media nirkabel untuk melakukan penginderaan dan melakukan tugas sebagai
penggerak aktuator. Node sensor mengumpulkan data dan berkomunikasi melalui
jaringan ke sistem komputer yang disebut komputer server (base station).
Menurut Al adwan et al. (2012), sistem kontrol pada greenhouse terdiri
atas beberapa komponen diantaranya, melakukan akuisisi data dari parameter
yang terjadi di dalam greenhouse melalui sensor, melakukan pengolahan data dan
membandingkan dengan hasil yang diinginkan, serta melakukan kontrol terhadap
sistem berdasarkan hasil yang didapatkan pada proses pengolahan data.
Zhang (2013) dalam penelitiannya mengatakan bahwa wireless sensor
network (WSN) dapat mendorong perkembangan pertanian menjadi lebih cerdas
dan otomatis. Pada penelitian ini, Zhang mengusulkan suatu metode dalam
mendapatkan informasi akuisisi data, pengolahan informasi dan pemanfaatan
informasi yaitu dengan menggunakan WSN, sehingga kedepan sistem ini dapat
diadaptasi pada sistem manajemen produksi pertanian diantaranya integrasi pada
sistem akuisisi data, transmisi digital, serta pada proses analisis data.
3 METODE PENELITIAN
Waktu dan Tempat
Penelitian dilaksanakan di laboratorium Net Centric Computing (NCC) Ilmu
Komputer dan Greenhouse di laboratorium lapangan Leuwikopo Institut
Pertanian Bogor dari bulan Januari 2014 sampai dengan bulan Juli 2014. Gambar
4 memperlihatkan greenhouse Leuwikopo Institut Pertanian Bogor.
Gambar 4 Greenhouse Leuwikopo Institut Pertanian Bogor
Komponen Instrumentasi Penelitian Alat dan bahan
Perangkat Keras (Hardware)
Sensor Suhu LM35, modul Xbee series 2, mikrokontroler DFRobot
Leonardo dengan xbee socket, catu daya dan seperangkat komputer sebagai base
station (server).
10
Perangkat Lunak (Software)
Software yang digunakan pada penelitian ini antara lain : Windows 7
operating systems, Arduino IDE, X-CTU, Hyperterminal, PHP, MySQL, Apache
server. Sementara bahasa pemrograman yang digunakan pada penelitian ini antara
lain : PHP, HTML, Javascript.
Tahapan Pelaksanaan Penelitian
Dalam mengembangkan sistem pemantauan suhu pada greenhouse berbasis
wireless menggunakan multi sensor ini dilakukan berdasarkan beberapa tahapan
antara lain : Tahapan persiapan (studi literatur, tinjauan lapangan, pembuatan
laporan), tahapan selanjutnya adalah tahapan perancangan sistem, melakukan
pengambilan data, dan tahapan terakhir adalah penyusunan laporan. Gambar 5
memperlihatkan tata laksana penelitian.
Persiapan
(Studi literatur, tinjauan lapangan, pembuatan
proposal
TIDAK
SIAP
YA
Pengembangan sistem pemantauan suhu pada
greenhouse berbasis wireless menggunakan multi
sensor
TIDAK
Berhasil ?
YA
Pengambilan data
Penyusunan laporan
Gambar 5 Tata Laksana Penelitian
11
Tahapan Perancangan Sistem Pemantauan Suhu pada Greenhouse
berbasis Wireless dengan Multi Sensor
Tahap perancangan sistem pemantauan suhu pada greenhouse terdiri dari
tiga bagian utama antara lain perancangan prototype modul sensor node router
(transmitter) dengan multi sensor suhu, perancangan akuisisi data secara nirkabel
(wireless) dan perancangan software antarmuka berbasis aplikasi web. Gambar 6
memperlihatkan tahapan perancangan sistem pemantauan suhu pada greenhouse
berbasis wireless menggunakan multi sensor.
Perancangan prototype sensor node router (transmiter)
Pada tahapan ini dilakukan perancangan prototype sensor node router yang
berfungsi sebagai transmiter, masing - masing terdiri dari sensor suhu,
mikrokontroler serta melakukan konfigurasi pada jalur pengiriman data
menggunakan xbee series 2.
Perancangan akuisisi data dengan komunikasi wireless pada node
Coordinator (receiver)
Pada tahapan ini dilakukan proses akuisisi data dengan menggunakan
komunikasi wireless dari beberapa sensor node router (transmiter) ke bagian
node coordinator (receiver) yang terdiri dari Xbee USB Adapter, modul
pengiriman (xbee series 2), kemudian data dikirim ke base station.
Perancangan software antar muka berbasis aplikasi web
Pada tahapan ini disajikan data hasil akuisisi melalui antarmuka berbentuk
website sistem pemantauan suhu pada greenhouse berbasis wireless
menggunakan multi sensor baik secara realtime maupun non realtime
Gambar 6 tahapan perancangan sistem pemantauan suhu pada greenhouse
berbasis wireless menggunakan multi sensor
Tahapan Perancangan Prototype Pengembangan Sistem Pemantauan Suhu
Greenhouse Berbasis Wireless Dengan Multi Sensor
Prototype pengembangan sistem monitoring greenhouse dalam penelitian
ini didefinisikan sebagai seperangkat hardware terintegrasi yang dapat melakukan
akuisisi data yaitu mengambil data fisis dari beberapa sensor node router berupa
perubahan parameter suhu di dalam greenhouse sesuai dengan penempatan sensor
node kemudian ditransmisikan secara nirkabel (wireless) ke bagian penerima
(sensor node coordinator), data hasil akuisisi dikirim ke bagian komputer server
12
(base station) serta ditampilkan dalam bentuk aplikasi web. Gambar 7
memperlihatkan diagram blok sistem pemantauan suhu pada greenhouse berbasis
wireless dengan multi sensor yang terdiri atas : modul sensor node router, sensor
node coordinator dan komputer server (base station).
Gambar 7 Diagram blok sistem pemantauan suhu pada greenhouse
berbasis wireless dengan multi sensor
Zona pengukuran suhu dalam greenhouse dapat dibagi menjadi beberapa
zona yaitu zona lokasional yang berupa daerah atap, dinding, dan lantai, zona
fungsional yang berupa daerah di sekitar tanaman baik pada bagian akar, daun,
batang, maupun buah, zona distributional yang merupakan representasi suhu di
dalam ruangan, serta zona pola (Seminar et al. 2006). Gambar 7 memperlihatkan
perancangan sistem pemantauan suhu pada greenhouse berbasis wireless dengan
multi sensor dan Gambar 8 memperlihatkan instalasi pemasangan sensor suhu
LM35 pada bangunan greenhouse.
Gambar 8 Perancangan penempatan modul sensor node router
dengan komunikasi wireless : (a).bagian atap, (b).bagian dinding
(c). sekitar tanaman, (d). bagian lantai
13
Perancangan Prototype Modul Sensor Node Router (Transmiter)
Prototype modul sensor node router (transmiter) dalam penelitian ini
didefinisikan sebagai seperangkat hardware terintegrasi yang dapat melakukan
akuisisi data yaitu mengambil data fisis berupa nilai suhu udara yang terjadi di
dalam greenhouse yang ditransmisikan secara nirkabel (wireless) ke sensor node
coordinator kemudian di kirim ke komputer server. Pada penelitian ini dibuat
sebanyak empat buah prototype modul sensor node router, yang masing-masing
terdiri dari empat buah sensor suhu LM35. Berikut adalah tahapan dalam
membuat rancangan prototype modul sensor node router yang terbagi menjadi
tahap perancangan hardware dan software.
Perancangan Hardware
Bagian ini terdiri dari sensor suhu LM35, modul DFRobot Leonardo
dengan xbee socket dan XBee transmiter. Gambar 9 memperlihatkan modul
sensor node router (transmiter).
Sensor
LM35
Mikrokontroler
DFRobot Leonardo
Supply Voltage
XBEE Series2
Antena
Gambar 9. Modul sensor node router
Sensor
Sensor adalah komponen yang berfungsi untuk mengubah besaran fisik
yang diukur menjadi sinyal elektrik. Sinyal elektrik tersebut disesuaikan level dan
bentuknya oleh rangkaian pengkondisi sinyal. Sinyal elektrik yang telah
dikondisikan ini masih berupa sinyal analog yang selanjutnya memasuki
rangkaian ADC (Analog to Digital Converter) untuk diubah menjadi sinyal digital
yang akan diterima oleh komputer (Azis 2010). Dalam lingkungan sistem
pengendali dan robotika, sensor memberikan kesamaan yang menyerupai mata,
pendengaran, hidung, lidah yang kemudian akan diolah oleh microcontroller atau
processor lain sebagai otaknya. Pada penelitian ini digunakan sensor suhu tipe
LM35 dimana sensor ini merupakan komponen elektronika yang memiliki fungsi
untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan.
Sensor suhu LM35 yang dipakai dalam penelitian ini berupa komponen –
komponen elektronika yang diproduksi oleh Texas Instruments Incorporated.
Penggunaan tipe sensor ini dikarenakan memiliki keakuratan tinggi dan
kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang lain, LM35
14
juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi
sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus
serta tidak memerlukan penyetelan lanjutan (TII 2013). Gambar 10
memperlihatkan bentuk dan struktur sensor LM35.
Berikut karakteristik sensor LM35 :
Memiliki sensitivitas suhu, dengan faktor skala linier antara tegangan dan suhu
10 mVolt/ºC, sehingga dapat dikalibrasi langsung dalam celcius.
Memiliki jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 ºC sampai +150 ºC.
Bekerja pada tegangan 4 sampai 30 volt.
Memiliki arus rendah yaitu kurang dari 60 µA.
Memiliki pemanasan sendiri yang rendah (low-heating) yaitu kurang dari 0,1
ºC pada udara diam.
Memiliki impedansi keluaran yang rendah yaitu 0,1 W untuk beban 1 mA.
Memiliki ketidaklinieran hanya sekitar ± ¼ ºC.
(a)
(b)
Gambar 10 (a) Sensor suhu LM35, (b) Struktur sensor LM35
Gambar 10 (b) menunjukan bentuk dari LM35 tampak depan dan tampak
bawah. 3 pin LM35 menujukan fungsi masing-masing pin diantaranya, pin 1
berfungsi sebagai sumber tegangan kerja dari LM35, pin 2 atau tengah digunakan
sebagai tegangan keluaran atau Vout dengan jangkauan kerja dari 0 Volt sampai
dengan 1,5 Volt dengan tegangan operasi sensor LM35 yang dapat digunakan
antar 4 Volt sampai 30 Volt.
Mikrokontroler Dfrobot Leonardo dengan Xbee Socket
Mikrokontroler DFRobot Leonardo dengan soket Xbee merupakan varian
dari Arduino Leonardo yang merupakan mikrokontroler dengan chip
ATmega32u4. Jika dibandingkan dengan tipe Arduino sebelumnya, Arduino
Leonardo merupakan tipe yang lebih sederhana juga lebih murah, karena untuk
chip mikrokontroler dan chip USB to serialnya digabung dalam 1
chip. Berdasarkan design resmi dari Arduino, DFRobot memproduksi board yang
serupa dengan Mikrokontroler Leonardo namun dengan penambahan Xbee socket.
Gambar 11 memperlihatkan desain mikrokontroler DFRobot Leonardo dengan
Xbee socket.
15
Gambar 11 DFRobot Leonardo dengan Xbee Socket
Modul DFRobot Leonardo dengan xbee socket berfungsi sebagai pengolah
data yang dibaca oleh sensor berupa data analog untuk kemudian diubah menjadi
data digital. Modul DFRobot Leonardo dengan Xbee socket ini sudah dilengkapi
dengan rangkaian analog to digital converter (ADC) 10 bit, sehingga tidak perlu
lagi menggunakan rangkaian ADC eksternal. Output dari sensor dapat langsung
dihubungkan dengan pin analog pada board serta modul ini sudah dilengkapi
dengan Xbee Socket sehingga tidak memerlukan Xbee shield seperti pada tipe
Arduino Uno maupun tipe lainnya. Dengan adanya socket ini, user dapat
menggunakannya bersama dengan Xbee, Wifi, Bluetooth maupun modul RF
lainnya, kemudian pin D14 hingga D16 dengan tambahan power supply dapat
memaksimalkan penggunaan chip ATmega32u4. Dengan tambahan pin ini, user
dapat menggunakannya untuk sensor-sensor digital maupun modul lainnya.
Adapun spesifikasi DFRobot Leonardo sebagai berikut:
Tegangan Masukan (limits): 6-12V
Mikrocontroller: ATmega32u4
Operasi Tegangan : 5V
Antarmuka: Micro USB
Kompatibel dengan Arduino R3 series pin mapping
Support Xbee dengan XBee socket maupun wifi,bluetooth and RF module
Extend D14~D16 digital pin dengan tegangan 5v
Clock Speed 16 MHz
Ukuran: 70x55x14mm
Digital I/O Pin: 20
PWM Channels: 6
Analog Input Channels: 12
DC Current per I/O Pin: 40 mA
DC Current : 3.3V Pin: 800 mA
Flash Memory 32 KB (ATmega32u4), 4 KB digunakan untuk bootloader
SRAM: 2.5 KB (ATmega32u4)
EEPROM: 1 KB (ATmega32u4)
16
Xbee Transmiter
Xbee transmiter pada bagian ini berfungsi sebagai pemancar. Xbee
transmiter digunakan untuk mengirimkan data secara wireless dari lokasi
prototype sensor node router ke komputer server. Xbee transmiter bekerja
berdasarkan protokol ZigBee. Gambar 12 memperlihatkan sebuah modul Xbee
series 2 dan susunan pin out yang dimilikinya (DI 2009).
(a)
(b)
Gambar 12 (a) Xbee series 2 dan (b) Susunan pin out Xbee series 2
Tahapan selanjutnya adalah Xbee transmiter dihubungkan ke host dalam
hal ini modul DFRobot Leonardo melalui Xbee socket yang terdapat pada modul.
Gambar 13 memperlihatkan pemasangan modul Xbee pada Xbee socket yang
terdapat pada mikrokontroler DFRobot Leonardo.
Gambar 13 Pemasangan Xbee Transmiter pada DFRobot Leonardo melalui
Xbee Socket
Perancangan Software
Pada tahapan perancangan software terbagi menjadi dua tahap sesuai
dengan peralatan yang digunakan yaitu perancangan software pada DFRobot
Leonardo dan Xbee transmiter.
17
Perancangan Software Pemrograman pada Mikrokontroler
DFRobot Leonardo
Untuk memproses data yang dibaca oleh sensor, maka harus dilakukan
pemrograman terlebih dahulu terhadap modul mikrokontroler DFRobot Leonardo
dimana modul ini mempunyai fitur yang hampir sama dengan Arduino buatan
Italia maka untuk memprogram modul ini dapat menggunakan software IDE
(Integrated Development Environment) Arduino. Dengan adanya Software IDE
Arduino memudahkan programmer untuk pemrograman karena sudah dilengkapi
dengan library yang siap pakai (Margolis, 2011). Pada penelitian ini digunakan
software IDE Arduino Versi 1.0.4. Gambar 14 memperlihatkan tampilan
antarmuka Software IDE Arduino.
Gambar 14 Tampilan antarmuka Software Arduino Versi 1.0.4
Perancangan Software Xbee Transmitter
Modul Xbee merupakan device yang mempunyai universal asynchronous
receiver/transmitter (UART) interface yang dapat secara langsung dihubungkan
dengan pin-pin pada modul Xbee usb adapter. Xbee transmitter memiliki dua
mode operasi yaitu mode transparant (AT) dan mode packet (API). Untuk
menghubungkan dua buah modul Xbee pada konfigurasi point-to-point sederhana
dapat menggunakan mode AT (DI 2009). Adapun kelebihan dari mode AT antara
lain : Sederhana, compatible dengan semua peralatan yang menggunakan
komunikasi serial, terbatas hanya untuk komunikasi point-to-point maupun mesh
antar beberapa modul Xbee. Sementara mode API mempunyai konfigurasi yang
lebih komplek dalam hal konfigurasi namun memiliki keunggulan yaitu memiliki
kemampuan yang lebih baik dibanding mode AT. Pada mode API, user dapat
membangun jaringan yang terdiri dari beberapa Xbee yang dapat berkomunikasi
dengan jaringan yang lebih komplek. Untuk mengaktifkan Xbee transmitter maka
harus dilakukan pemrograman terlebih dahulu. Untuk melakukan pemrograman
dapat dilakukan melalui sebuah software khusus yaitu X-CTU, aplikasi ini
merupakan aplikasi yang sediakan oleh produsen perusahaan Maxstream/Digi (DI
18
2009), aplikasi lainnya yang dapat digunakan untuk melakukan pemrograman
Xbee transmitter adalah software hyperterminal seperti Putty (Faludi 2011).
Untuk dapat melakukan komunikasi dengan baik, Xbee transmitter harus
diprogram dengan memberi alamat unik agar dapat dikenali oleh Xbee pada
bagian receiver. Pada penelitian ini digunakan mode AT karena hanya bersifat
yang sederhana dengan sistem pengalamatan 16 bit (DI 2009). Pada penelitian ini
dirancang empat buah prototype modul sensor node router yang masing masing
terdiri dari empat buah sensor suhu LM35. Gambar 15 memperlihatkan tampilan
antarmuka software X-CTU.
Gambar 15 Tampilan antarmuka software X-CTU
Perancangan Akuisisi Data Secara Nirkabel (Wireless)
Setelah melakukan perancangan pada modul node sensor tahapan
selanjutnya adalah melakukan tahapan akuisisi data secara nirkabel (wireless)
dengan melakukan perancangan pada bagian penerima yaitu node sensor
coordinator. Berikut adalah tahapan dalam membuat rancangan node sensor
coordinator yang berfungsi untuk melakukan akuisisi data secara wireless.
Perancangan Hardware
Bagian ini terdiri dari modul XBee receiver dan XBee USB adapter.
Gambar 16 memperlihatkan perancangan modul sensor node coordinator
(receiver) dan komputer server.
19
Antena
XBEE Series 2
XBEE
USB
ADAPTER
Komputer
Server
(Base station)
Gambar 16 Modul sensor node coordinator dan komputer server
XBee Receiver
XBee receiver pada bagian ini berfungsi sebagai penerima (receiver) dan
memiliki spesifikasi yang sama dengan XBee transmiter pada bagian node sensor
router (pemancar). XBee receiver ini digunakan untuk menerima data secara
wireless dari modul node sensor router. Pada bagian ini Xbee receiver
dihubungkan ke host yaitu modul XBee adapter.
Modul XBee USB Adapter
Modul Xbee USB adapter yang digunakan adalah DFRobot XBee USB
Adapter dengan interface yang dapat langsung dihubungkan dengan pin-pin
XBee receiver, sehingga memungkinkan XBee receiver dapat langsung
dipasangkan. Fungsi utama dari modul XBee USB adapter ini adalah sebagai
jembatan yang menghubungkan antara XBee receiver dengan port serial pada
komputer. Data serial yang diterima oleh komputer server dapat diakses dengan
melakukan koneksi terlebih dahulu ke COM yang terbaca pada perangkat
komputer server. Pada saat Xbee USB Adapter dihubungkan ke komputer dengan
Mini-B USB, maka komputer biasanya akan meminta driver terlebih dahulu.
Dengan adanya driver memungkinkan setiap hardware yang dihubungkan dengan
kabel USB akan terdeteksi oleh komputer. Untuk melakukan pengujian bahwa
data sedang diterima oleh komputer server maka dapat menggunakan aplikasi
hyperterminal (Faludi 2011). Gambar 17 memperlihatkan modul Xbee USB
Adapter.
Gambar 17 Modul Xbee USB Adapter
20
Perancangan Software
XBee Receiver pada Bagian Sensor Node Coordinator
Pada tahapan ini dilakukan konfigurasi komunikasi pada XBee receiver
pada bagian node sensor coordinator yaitu melakukan pemrograman dengan
memberi alamat unik sedemikian sehingga dapat berkomunikasi dengan XBee
transmitter pada bagian node sensor router dari masing-masing titik penempatan
sensor. Pada penelitian ini terdapat empat buah prototype sensor node router yang
masing-masing akan mengirimkan data dari sensor suhu LM35.
Perancangan Software Antarmuka Berbasis Aplikasi Web
Pada tahapan ini dirancang Software antarmuka berbasis aplikasi web yang
berfungsi utama untuk menampilkan data hasil pembacaan sensor melalui browser.
Adapun Software antarmuka dibuat dengan menggunakan bahasa pemrograman
PHP, sedang
PADA GREENHOUSE BERBASIS WIRELESS
MENGGUNAKAN MULTI SENSOR
HELDI HASTRIYANDI
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN
SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis berjudul Pengembangan Sistem
Pemantauan Suhu pada Greenhouse Berbasis Wireless Menggunakan Multi
Sensor adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan
belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun.
Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun
tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan
dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut
Pertanian Bogor.
Bogor, 25 September 2014
Heldi Hastriyandi
NIM G651120151
RINGKASAN
HELDI HASTRIYANDI.
Pengembangan Sistem Pemantauan Suhu pada
Greenhouse Berbasis Wireless Menggunakan Multi Sensor. Dibimbing oleh
KUDANG BORO SEMINAR dan HERU SUKOCO.
Greenhouse adalah bangunan khusus terstruktur untuk menyediakan
lingkungan yang nyaman dan terkendali untuk budidaya tanaman, salah satu
parameter penting dalam rumah kaca adalah suhu udara. Besarnya suhu udara dan
distribusi suhu yang terjadi di dalam greenhouse harus dipantau dan dikendalikan
untuk mendukung pertumbuhan optimal bagi tanaman yang dibudidayakan untuk
jangka waktu produksi tertentu. Namun, pengukuran dan pemantauan suhu udara
baik untuk greenhouse dengan ukuran medium atau besar harus menggunakan
multi sensor untuk memastikan distribusi suhu udara dapat terpantau dengan baik
dibeberapa lokasi di dalam greenhouse. Penelitian ini mengusulkan
pengembangan sistem pemantauan suhu menggunakan teknologi nirkabel dengan
beberapa sensor pada greenhouse. Hal ini memungkinkan pemantauan suhu
menjadi lebih representatif dan komprehensif sesuai lokasi penempatan sensor di
dalam greenhouse.
Pengembangan sistem pemantauan suhu ini terdiri atas tiga bagian utama.
Bagian pertama berupa modul sensor node router yang terdiri dari sensor suhu
LM35, mikrokontroler Arduino Leonardo, dan modul Xbee transmitter. Modul
sensor node router ini berfungsi untuk melakukan pengiriman data suhu pada
masing-masing lokasi atau zona pengukuran yaitu zona atap, zona dinding, zona
tanaman, dan zona lantai. Bagian kedua berupa modul sensor node coordinator
yang terdiri dari Xbee receiver dan Xbee usb adapter, modul ini berfungsi untuk
melakukan akuisisi data suhu pada masing-masing sensor node router kemudian
data tersebut dikirim ke komputer server. Bagian ketiga dari sistem ini berupa
tampilan antarmuka berbasis aplikasi web yang dibangun menggunakan bahasa
pemrograman PHP serta untuk disain database menggunakan phpmyadmin.
Pengembangan sistem pemantauan suhu ini telah melalui beberapa tahapan
pengujian diantaranya yaitu dengan melakukan kalibrasi sensor LM35 terhadap
alat ukur suhu standar berupa hybrid thermocouple recorder, serta pengujian
terhadap pengiriman data dari sensor node router ke bagian sensor node
coordinator menggunakan komunikasi wireless. Sistem pemantauan suhu ini
dibangun untuk memberikan informasi mengenai distribusi suhu yang terjadi pada
beberapa zona pengamatan antara lain zona atap, zona dinding, zona tanaman,
serta zona lantai. Sistem ini diimplementasikan dalam bentuk web sehingga dapat
diakses oleh pengguna.
Kata Kunci : Greenhouse, Multi sensor, Pengukuran suhu, Sistem pemantauan,
Teknologi nir-kabel.
SUMMARY
HELDI HASTRIYANDI. The Development of Greenhouse Temperature
Monitoring System Based On Wireless Using Multi Sensor. Supervised by
KUDANG BORO SEMINAR and HERU SUKOCO.
Greenhouse is a specially structured building for providing a comfortable
and controllable environment for crop cultivation. One of the critical parameters
in a greenhouse is temperature. The magnitude and distribution of temperature in
greenhouse must be monitored and controlled to support optimal growth of the
cultivated crop in a more deterministic period of production. However, the
measuring and monitoring of air temperature within a medium or big size of a
greenhouse should utilize multi sensors to ensure the capturing of temperature
distribution in various position representatives in a greenhouse. This research
proposed the development of a wireless temperature monitoring system in a
greenhouse using multiple sensors that can be place at several positions of
interest. This will allow more representative and comprehensive temperature
monitoring from remote places.
The proposed temperature monitoring system consists of three main parts.
The first part of a sensor node router module which consists of a LM35
temperature sensor, microcontroller Arduino Leonardo, and XBee transmitter
module. The sensor node router module serves to transmit temperature data at
each location including roof zone, wall zone, plants zone, and floor zone.The
second part is a sensor node coordinator module consists of XBee receiver and
XBee usb adapter module, this module serves to acquire of temperature data from
each sensor node router and the data is sent to computer server. The third part is
the user interface based on web applications developed using PHP programming
languages and phpMyAdmin for database design. The temperature monitoring
system has gone through several stages of testing including calibration of LM35
sensor with a standard temperature measuring tool that is a hybrid thermocouple
recorder, and testing the data transmission from the sensor nodes router module to
the sensor node coordinator module using wireless communication. The system
has been developed to provide information of temperature distribution at several
observation zones including roof zone, wall zone, plants zone, and floor zone.
The system has been implemented on web platform to allow wide access of users.
Keywords : Greenhouse, Multi Sensor System, Temperature Measurement,
Monitoring systems, Wireless Technology.
© Hak Cipta Milik IPB, Tahun 2014
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
IPB
Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh karya tulis ini
dalam bentuk apa pun tanpa izin IPB
PENGEMBANGAN SISTEM PEMANTAUAN SUHU PADA
GREENHOUSE BERBASIS WIRELESS MENGGUNAKAN
MULTI SENSOR
HELDI HASTRIYANDI
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar
Magister Sains
pada
Program Studi Ilmu Komputer
SEKOLAH PASCASARJANA
INSTITUT PERTANIAN BOGOR
BOGOR
2014
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis:
Dr Ir Sri Wahjuni MT
PRAKATA
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala atas
segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang
dipilih dalam penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Januari 2014 ini ialah
Teknologi, dengan judul Pengembangan Sistem Pemantauan Suhu pada
Greenhouse Berbasis Wireless menggunakan Multi Sensor.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Prof Dr Ir Kudang Boro
Seminar MSc dan DrEng Heru Sukoco SSi MT selaku pembimbing, serta Ibu Dr
Ir Sri Wahjuni MT sebagai penguji yang telah banyak memberi saran. Di samping
itu, penghargaan penulis sampaikan kepada Bapak Ahmad dari Laboratorium
Departemen Teknik Mesin dan Biosistem yang telah membantu selama
pengumpulan data. Ungkapan terima kasih juga disampaikan kepada ayah, ibu,
serta seluruh keluarga, atas segala doa dan kasih sayangnya.
Semoga karya ilmiah ini bermanfaat.
Bogor, September 2014
Heldi Hastriyandi
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL
DAFTAR GAMBAR
DAFTAR LAMPIRAN
1 PENDAHULUAN
Latar Belakang
Tujuan Penelitian
Manfaat Penelitian
Ruang Lingkup Penelitian
vi
vii
viii
1
1
2
2
2
2 TINJAUAN PUSTAKA
Greenhouse
Parameter Lingkungan Greenhouse
Arduino
Protokol Zigbee
Modul Xbee
Apache web server
Penelitian Terkait
3
3
4
4
8
8
8
3 METODE
Waktu dan Tempat
Komponen Intrumentasi Alat dan Bahan
Tahapan Pelaksanaan Penelitian
Tahapan Perancangan Sistem Pemantauan Suhu pada Greenhouse
Berbasis Wireless dengan Multi Sensor
Perancangan prototype modul sensor node router (transmitter)
Sensor
Mikrokontroler DFRobot Leonardo dengan socket Xbee
Xbee transmitter
Software Pemrograman pada mikrokontroler DFRobot Leonardo
Software Xbee transmitter
Perancangan akuisisi data secara nirkabel (wireless)
Xbee receiver
Modul Xbee USB adapter
Perancangan software xbee receiver pada sensor node coordinator
Perancangan software antarmuka berbasisi aplikasi web
9
9
10
11
13
13
14
16
17
17
18
19
19
20
20
4 HASIL DAN PEMBAHASAN
Implementasi tahap perancangan sistem pemantauan suhu
Implementasi prototype sensor node router
Implementasi software pemrograman pada mikrokontroler Leonardo
21
21
22
Implementasi software Xbee transmitter
Pengujian hasil prototype sensor node router
Implementasi akuisisi data secara nirkabel (wireless)
Implementasi prototype sensor node coordinator
Implementasi software Xbee receiver
Pengujian hasil akuisisi data secara nirkabel (wireless)
Implementasi software antarmuka berbasis aplikasi web
Implementasi database
Implementasi aplikasi web
Pengujian modul realtime monitoring pada website
Pengujian modul datalog non realtime pada website
5. SIMPULAN DAN SARAN
Simpulan
Saran
24
25
27
27
27
28
29
29
31
35
37
38
38
38
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
RIWAYAT HIDUP
DAFTAR TABEL
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Model produk arduino
Susunan rangkaian dengan sensor suhu LM35
Perbandingan pengukuran suhu pada HT recorder dan sensor LM35
Susunan struktur data pada perancangan sensor node router
Susunan struktur data pada perancangan akuisisi data
Struktur tabel data suhu atap
Struktur tabel data suhu dinding
Struktur tabel data suhu tanaman
Struktur tabel data suhu lantai
Struktur tabel admin
4
22
25
26
28
30
30
30
30
31
DAFTAR GAMBAR
1 Arsitektur IEEE 802.15.4 / Zigbee Protocol Stack
5
2 Model topologi jaringan Zigbee
6
3 Model topologi Star
7
4 Greenhouse Leuwikopo Institut Pertanian Bogor
9
5 Tata laksana penelitian
6 Tahapan Perancangan Sistem Pemantauan Suhu pada Greenhouse
berbasis Wireless dengan Multi Sensor
7 Diagram blok sistem pemantauan suhu pada Greenhouse
berbasis wireless menggunakan multi sensor
8 Perancangan penempatan modul sensor node router dengan
komunikasi wireless
9 Modul sensor node router
10 Sensor suhu LM35
11 DFRobot Leonardo dengan Xbee socket
12 Xbee Series 2
13 Pemasangan Xbee transmiter pada DFRobot Leonardo
melalui xbee socket
14 Tampilan antarmuka Software Arduino Versi 1.0.4
15 Tampilan antarmuka Software X-CTU
16 Modul sensor node coordinator (receiver) dan komputer
server
17 Modul Xbee USB Adapter
18 Tampilan Website Greenhouse Temperature Monitoring
System
19 Skema rangkaian Dfrobot Leonardo dengan sensor suhu
LM35
20 Skema rangkaian empat buah sensor suhu LM35 pada
mikrokontroler Dfrobot Leonardo
21 Pengaturan Xbee transmitter
22 Grafik persamaan regresi alat ukur suhu standar HT recorder
dengan sensor suhu LM35
23 Hasil Pengujian sensor node router dengan komunikasi
serial menggunakan kabel USB
24 Instalasi pemasangan sensor suhu LM35 pada bangunan Greenhouse
25 Perangkat sensor node coordinator
26 Pengaturan Xbee transmitter
27 Hasil pengujian akuisisi data menggunakan komunikasi serial secara
nirkabel (wireless)
28 Halaman utama aplikasi web untuk Website Greenhouse
10
11
12
12
13
14
15
16
16
17
18
19
19
20
21
22
24
25
26
26
27
28
29
31
Temperature Monitoring System
Halaman menu realtime monitoring suhu
Halaman menu datalog non realtime
Halaman menu user manajemen
Halaman menu galery design systems
Halaman menu about us
Halaman submenu developer team
Tampilan halaman contact us
Contoh grafik realtime hasil pengamatan suhu pada zona atap
Contoh grafik realtime hasil pengamatan suhu pada zona dinding
Contoh grafik realtime hasil pengamatan suhu pada zona tanaman
Contoh grafik realtime hasil pengamatan suhu pada zona
Tampilan kotak dialog konfirmasi download file datalog suhu non
realtime
41 Tampilan datalog suhu non realtime pada aplikasi Excel
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
DAFTAR LAMPIRAN
1 Sourcecode Program Mikrokontroler DFLeonardo
Node Zona Atap
2 Sourcecode Program Mikrokontroler DFLeonardo
Node Zona Atap
3 Sourcecode Program Mikrokontroler DFLeonardo
Node Zona Dinding
4 Sourcecode Program Mikrokontroler DFLeonardo
Node Zona Tanaman
5 Sourcecode Program Mikrokontroler DFLeonardo
Node Zona Lantai
6 Sourceode Pemrograman pada Aplikasi WEB
Prototype Sensor
Prototype Sensor
Prototype Sensor
Prototype Sensor
Prototype Sensor
32
32
33
33
34
34
35
35
36
36
37
37
38
1
1
PENDAHULUAN
Latar Belakang
Pertanian adalah sektor yang paling serius terkena dampak perubahan
iklim. Beberapa unsur iklim yang mengalami perubahan antara lain pola curah
hujan, muka air laut, suhu udara, dan peningkatan kejadian iklim ekstrim yang
menyebabkan banjir dan kekeringan (Haryono 2011). Perubahan iklim serta
keadaan cuaca yang tidak menentu menyebabkan musim tanam dan panen tak
menentu. Petani sulit untuk melakukan prediksi cuaca dalam masa tanam,
sementara pergeseran pola cuaca dapat meningkatkan kerentanan tanaman
terhadap infeksi serangan hama dan gulma. Dampak perubahan iklim terhadap
sektor pertanian dapat diantisipasi salah satunya dengan adaptasi teknologi
inovatif berupa penggunan teknologi greenhouse atau rumah tanaman. Teknologi
greenhouse atau rumah tanaman merupakan sebuah alternatif solusi untuk
mengendalikan kondisi iklim mikro pada tanaman. Greenhouse merupakan
sebuah bangunan tempat budidaya tanaman dengan pengaturan beberapa
parameter di dalamnya agar dapat disesuaikan dengan kebutuhan tumbuh
kembang tanaman yang sedang dibudidayakan. Menurut Suhardiyanto (2009),
penggunaan greenhouse dalam budidaya tanaman merupakan salah satu cara
untuk memberikan lingkungan yang lebih mendekati kondisi optimum bagi
pertumbuhan tanaman. Penggunaan greenhouse atau rumah tanaman
memungkinkan dilakukannya modifikasi lingkungan yang tidak sesuai bagi
pertumbuhan tanaman menjadi lebih mendekati kondisi optimum bagi
pertumbuhan tanaman.
Tanaman akan memberikan respon fisiologi akibat interaksinya dengan
kondisi lingkungan. Parameter lingkungan dalam greenhouse diantaranya adalah
suhu udara. Setiap golongan tanaman mempunyai batas suhu maksimum yang
berbeda-beda untuk perkembangan optimalnya. Suhu udara sangat mempengaruhi
aktifitas kehidupan tanaman diantaranya pada proses fotosintesis, respirasi,
transpirasi, pertumbuhan, penyerbukan, pembuahan, dan keguguran buah.
Menurut Mastalerz (1977) dalam Nurianingsih (2011) menyatakan bahwa suhu
didalam greenhouse dapat meningkat disebabkan oleh dua alasan, yaitu karena
greenhouse effect dan struktur bangunan greenhouse yang merupakan ruangan
tertutup sehingga sirkulasi menjadi tidak lancar. Aliran dan distribusi suhu udara
di dalam bangunan greenhouse perlu dijaga sirkulasinya agar udara panas yang
terjebak tidak terus meningkat melebihi intensitas penyerapan panas yang
dibutuhkan untuk pertumbuhan tanaman. Menurut Suhardiyanto (2009),
perbedaan laju dan arah pertukaran panas yang terjadi antara bangunan
greenhouse dan lingkungan sekitarnya juga merupakan salah satu penyebab
berbedanya iklim mikro di dalam greenhouse. Bangunan greenhouse akan
mengalami pertambahan dan/atau kehilangan panas baik itu secara radiasi,
konveksi maupun konduksi. Perpindahan panas ini dapat terjadi melalui atap,
dinding, ventilasi, peralatan, lantai dan tanah di bawah greenhouse. Dengan
adanya greenhouse effect maupun pertukaran panas maka diperlukan suatu sistem
yang dapat memantau perubahan suhu tersebut.
2
Untuk memantau perubahan suhu yang terjadi di dalam greenhouse
terutama kondisi suhu yang terjadi di sekitar tanaman maupun di sekitar bagian
atap, dinding, dan lantai maka diperlukan suatu sistem pemantauan yang dapat
memantau perubahan tersebut secara realtime, beberapa penelitian mengenai
pemantauan suhu udara pada bangunan greenhouse diantaranya penelitian yang
telah dilakukan oleh Rinaldi (2006) maupun Apriyani (2006), pada kedua
penelitian ini peralatan yang digunakan berupa satu unit Portable Weather Station
yang hanya terdiri dari satu buah sensor suhu. Penelitian lainnya dilakukan oleh
Arif (2009), pada penelitian ini jenis sensor yang digunakan berupa satu unit Field
Sever yang terdiri dari satu buah sensor suhu. Dari beberapa penelitian yang telah
dilakukan, mendeteksi suhu udara dengan hanya menggunakan satu buah sensor
yang di tempatkan pada salah satu posisi pada bangunan greenhouse masih
mempunyai
beberapa kelemahan di antaranya pada aspek pemantauan dan
distribusi suhu sehingga menyebabkan pemantauan suhu udara menjadi tidak
optimal. Hal ini didasarkan pada hasil penelitian yang telah dilakukan oleh
Nurianingsih (2011) dan Faudah (2012), pada penelitian ini dilakukan simulasi
terhadap suhu udara pada bangunan greenhouse menggunakan perangkat lunak
CFD (Computational Fluid Dynamic). Dari hasil simulasi yang dilakukan
didapatkan bahwa didalam bangunan greenhouse terjadi sebaran maupun
distribusi panas dari suhu udara yang tidak merata. Untuk mengatasi hal tersebut,
maka dilakukan pengembangan sistem pemantauan suhu pada greenhouse yaitu
dengan menempatkan multi sensor suhu yang disebar di beberapa posisi observasi
yang memungkinkan untuk dilakukan analisis pemantauan suhu yang lebih
representatif dan komprehensif pada bangunan greenhouse terutama suhu di
sekitar tanaman, atap, dinding, dan lantai, sehingga sebaran dan distribusi suhu
udara di dalam greenhouse dapat terpantau dengan baik. Dengan perkembangan
teknologi terutama pada teknologi mikrokontroler, sensor, serta teknologi wireless
maka pengembangan pada sistem pemantauan suhu pada greenhouse sangat
mungkin untuk dilakukan.
Tujuan Penelitian
a.
Merancang pengembangan sistem pemantauan suhu pada greenhouse
menggunakan teknologi wireless dengan multi sensor.
b. Melakukan evaluasi terhadap sistem pemantauan suhu yang telah dibuat.
Manfaat Penelitian
Memberikan informasi mengenai data hasil pemantaun sensor suhu yang
ditempatkan di beberapa lokasi/zona pada bangunan greenhouse dan dapat
diakses oleh user.
Ruang Lingkup Penelitian
Ruang lingkup penelitian dibatasi pada perancangan pengembangan sistem
pemantauan suhu pada greenhouse dengan komunikasi wireless menggunakan
multi sensor berupa sensor suhu LM35, perancangan akuisisi data secara nirkabel
3
(wireless) dengan protokol Zigbee, perancangan software antarmuka berbasis
aplikasi web dengan bahasa pemrograman PHP, MySQL, Javascript.
2 TINJAUAN PUSTAKA
Greenhouse
Greenhouse merupakan suatu bangunan yang berfungsi untuk melindungi
tanaman dari berbagai macam gangguan cuaca seperti hujan, angin, dan intensitas
radiasi matahari yang tinggi serta melindungi tanaman dari serangan hama
penyakit. Pada umumnya greenhouse diperlukan untuk tanaman yang memiliki
nilai ekonomi yang cukup penting seperti berbagai jenis tanaman bunga-bungaan
diantaranya mawar, anyelir, gladiol, anggrek, dan krisan, tanaman sayur-sayuran
diantaranya tomat, kapri, brokoli, sawi, dan paprika, tanaman buah-buahan
diantaranya melon, anggur, dan semangka. Rancangan greenhouse yang paling
sesuai dan banyak digunakan di kawasan yang beriklim tropika seperti Indonesia
adalah modified standard peak dengan jumlah bentangan satu atau lebih
(Suhardiyanto 2009). Modified standard peak greenhouse banyak digunakan di
Indonesia karena sesuai dengan kondisi iklim Indonesia yang memiliki intensitas
radiasi matahari dan curah hujan yang tinggi. Struktur greenhouse berinteraksi
dengan parameter iklim di sekitarnya dan menciptakan iklim mikro di dalamnya
berbeda dengan parameter iklim di sekitar greenhouse, hal ini disebut sebagai
peristiwa efek rumah kaca (greenhouse effect). Suhardiyanto (2009) menyebutkan
greenhouse effect disebabkan oleh dua hal, yaitu:
1. Pergerakan udara di dalam greenhouse yang relatif sangat sedikit atau
cenderung stagnan karena struktur rumah tanaman yang tertutup dan laju
pertukaran udara di dalam rumah tanaman dengan lingkungan luar yang
sangat kecil. Hal ini menyebabkan suhu udara di dalam rumah tanaman
cenderung lebih tinggi daripada di luar.
2. Radiasi matahari gelombang pendek yang masuk ke dalam rumah
tanaman melalui atap diubah menjadi radiasi gelombang panjang. Radiasi
gelombang panjang ini tidak dapat keluar dari rumah tanaman dan
terperangkap di dalamnya. Hal ini menimbulkan greenhouse effect yang
menyebabkan meningkatnya suhu udara di dalam rumah tanaman.
Parameter Lingkungan Greenhouse
Pertumbuhan tanaman sangat dipengaruhi oleh suhu udara, perubahan
beberapa derajat saja sudah menyebabkan perubahan yang nyata dalam laju
pertumbuhan. Pada tahap tertentu dalam daur hidup tanaman, tiap spesies atau
varietas mempunyai suhu minimum, rentang suhu optimum dan suhu maksimum.
Di bawah suhu minimum ini tanaman tidak akan tumbuh, pada rentang suhu
optimum, laju tumbuhnya paling tinggi dan di atas suhu maksimum tanaman tidak
akan tumbuh bahkan mati. Naiknya suhu membuat udara mampu membawa lebih
4
banyak kelembaban. Radiasi gelombang panjang yang terperangkap di dalam
greenhouse menyebabkan naiknya suhu udara di dalam rumah tanaman
(Suhardiyanto 2009).
Arduino
Arduino merupakan board mikrokontroler yang dirancang untuk
memudahkan dalam membangun berbagai aplikasi elektronik. Dari asal katanya,
Arduino berarti “teman yang kuat”. Arduino merupakan hardware yang bersifat
open source yang mulai dikembangkan pada tahun 2005 oleh Massimo Banzi dan
David Cuartielles (Margolis 2011). Untuk pemrograman hardware arduino telah
dikembangkan software khusus yaitu Integrated Development Environment (IDE)
Arduino yang
dibangun menggunakan bahasa pemrograman Java oleh
Massachusetts Institute of Technology. Arduino memiliki beberapa varian model
berdasarkan jenis chip processor yang digunakan. Tabel 1 memperlihatkan model
produk Arduino.
Tabel 1 Model produk Arduino
Flash
Digital
Analog
Processor
Model
Memory
I/O
PWM Input
(kb)
pin
pin
Diecimilia
Atmega168
16
14
6
6
Due
Atmel Sam3u
256
54
16
16
Duemilanove
Atmega
16/32
14
6
6
168/328P
Fio
Atmega 328P
32
14
6
8
Leonardo
Atmega 32u4
32
14
6
6
Lily Pad
Atmega
16
14
6
6
168/328V
Mega 1280 Atmega 1280
128
54
14
16
Mega 2560 Atmega 2560
256
54
14
16
Nano
Atmega
16/32
14
6
8
168/328
Uno
Atmega 328P
32
14
6
6
(Sumber : Margolis 2011)
Protokol Zigbee
Protokol Zigbee merupakan protokol yang bekerja pada jaringan wireless
dengan standar 802.15.4 yang memberikan keunggulan diantaranya : pengiriman
data rate rendah, konsumsi daya rendah, dan biaya murah (Ergen 2004). Protokol
zigbee sering digunakan pada aplikasi remote control dan otomasi. Penggunaan
protokol 802.15.4 semakin meningkat terutama berhubungan dengan penggunaan
wireless sensor network pada bidang penelitian dan teknologi industri (Cunha et
al. 2007). Protokol 802.15.4 bekerja pada lapisan Medium Access Control (MAC)
dan lapisan Physical Layer. ZigBee Alliance bertujuan memberikan lapisan atas
5
dari stack protokol dari lapisan jaringan ke lapisan aplikasi untuk jaringan data,
pemasaran teknik, dan standar terkini untuk evolusi standar. Hal ini akan
menjamin konsumen yang membeli produk dari produsen berbeda yakin bahwa
produk akan dapat bekerja bersama (Ergen 2004). Gambar 1 memperlihatkan
arsitektur IEEE 802.15.4/ZigBee Protocol Stack
.
Gambar 1 Arsitektur IEEE 802.15.4/ZigBee Protocol Stack
(Sumber : Cunha et al. 2007)
Dari gambar 1 dapat dilihat bahwa Protokol stack Zigbee/802.15.4
mempunyai beberapa lapisan yang mempunyai fungsi yang berbeda-beda. Fungsi
dari setiap lapisan antara lain :
a. Lapisan fisik (PHY)
Lapisan PHY menyediakan dua layanan: layanan data PHY dan layanan
manajemen PHY interface ke entitas manajemen lapisan fisik. Layanan data PHY
memungkinkan transmisi dan penerimaan unit data protokol PHY di saluran
radio fisik (Ergen 2004). Lapisan ini bekerja pada radio channel dan dukungan
band 2.45GHz dan 868/915 MHz. Pada band 2.45GHz radio band memiliki data
rate 250 Kbps dan mendukung 16 channel. Band 868/915 MHz mendukung satu
channel untuk 868 MHz dengan data rate 20 Kbps dan 10 channel untuk
915MHz dengan data rate 40Kbps.
b. Lapisan MAC
Pada lapisan MAC menyediakan dua layanan yaitu layanan data MAC dan
layanan manajemen MAC ke interfacing entitas manajemen sublayer untuk jalur
akses layanan data (Ergen 2004). Lapisan MAC bertanggung jawab untuk single
hop komunikasi data antar perangkat yang bertetangga. Hal ini mensinkronisasi
jaringan, mendukung association/disassociation dan MAC-level security, serta
memberikan link yang dapat diandalkan antara dua perangkat. Lapisan MAC
menggunakan mekanisme Carrier Sense Multiple Access with Collision
Avoidance (CSMA/CA) untuk mengakses channel, seperti wireless networks
lainnya seperti IEEE 802.11dan IEEE 802.15.3 (Ergen 2004).
6
c. Lapisan Network
Pada Lapisan Network device pada Zigbee dibagi menjadi 3 tipe yaitu
Network Coordinator, Full Function Device (FFD), Reduced Function Device
(RFD). Network Coordinator memiliki informasi dari keseluruhan jaringan.
Untuk menjaga semua informasi tentang jaringan itu diperlukan lebih banyak
memori dan pengolahan komputasi. Untuk setiap jaringan ZigBee hanya ada satu
koordinator. Simpul ini bertanggung jawab untuk menginisialisasi jaringan,
memilih saluran yang tepat, dan memungkinkan perangkat lain untuk terhubung
ke jaringan. Network Coordinator juga bertanggung jawab untuk routing lalu
lintas dalam jaringan ZigBee (Vishwakarma 2012). FFD adalah perangkat yang
mendukung protokol standar nirkabel yang ditetapkan untuk WSN. FFD juga
dapat mengambil tanggung jawab seperti koordinator jaringan yaitu dengan
menyediakan fasilitas untuk mengambil informasi data. RFD memberikan fungsi
sesuai dengan namanya yakni mempunyai fungsi yang terbatas dan memerlukan
biaya yang rendah. Node ini dapat terhubung dengan node utama berupa router
atau koordinator namun perangkat ini tidak memiliki kemampuan untuk memiliki
node lain yang terhubung ke jaringan.
d. Lapisan Application
Lapisan Application berfungsi untuk melakukan penyesuaian mengenai format
pesan yang sesuai dengan vendor serta melakukan tindakan pengolahan sehingga
aplikasi dapat dijalankan dan didistribusikan pada aplikasi yang berada pada
perangkat yang terpisah. Lapisan ini juga merupakan lapisan yang berhubungan
dengan end user.
Protokol Zigbee merupakan salah satu protokol jaringan yang ditujukan
pada komunikasi tanpa kabel (wireless). ZigBee memiliki 3 model topologi
jaringan yaitu topologi star, Mesh (Peer to Peer) serta Cluster Tree. Gambar 2
memperlihatkan model topologi jaringan Zigbee.
P = Pan Coordinator
F = Full Function Device
R = Reduce Function Device
Gambar 2 Model Topologi Jaringan Zigbee
(Sumber : Ergen 2004)
7
a. Topologi Star
Pada topologi star komunikasi dilakukan antara perangkat dengan sebuah
pusat pengontrol tunggal, disebut sebagai koordinator PAN (Personal Area
Network). Aplikasi dari topologi ini bisa untuk otomasi rumah, perangkat personal
computer (PC), serta mainan anak- anak. Setelah sebuah FFD diaktifkan untuk
pertama kali maka ia akan membuat jaringannya sendiri dan menjadi koordinator
PAN. Setiap jaringan star akan memilih sebuah pengenal PAN yang tidak sedang
digunakan oleh jaringan lain didalam jangkauan radionya. Ini akan mengijinkan
setiap jaringan star untuk bekerja secara tersendiri.
b. Topologi Mesh (Peer to peer)
Dalam topologi peer to peer juga hanya ada satu koordinator PAN.
Berbeda dengan topologi star, setiap perangkat dapat berkomunikasi satu sama
lain sepanjang ada dalam jarak jangkauannya. Peer to peer dapat berupa ad hoc,
Self-organizing dan self healing.
c. Topologi Cluster Tree
Cluster tree merupakan sebuah model khusus dari jaringan peer to peer
dimana sebagian besar perangkatnya adalah Full Function Device (FFD) dan
terdapat beberapa Reduce Function Device (RFD) yang terhubung ke jaringan
cluster tree sebagai node tersendiri di akhir dari percabangan. Salah satu dari FFD
dapat berlaku sebagai koordinator dan memberikan layanan sinkronisasi ke
perangkat lain dan koordinator lain. Koordinator PAN membentuk cluster
pertama yaitu dengan membentuk Cluster head (CLH) dengan sebuah cluster
identifier (CID), memilih sebuah pengenal PAN yang tidak terpakai dan
memancarkan frame-frame beacon ke perangkat sekitarnya. Sebuah perangkat
menerima frame beacon meminta untuk bergabung ke network CLH. Jika
koordinator PAN mengijinkan untuk bergabung, maka akan menambahkan
perangkat baru ini sebagai perangkat turunannya dalam daftar perangkat
disekitarnya. Proses ini berlanjut dilakukan oleh perangkat yang baru ke
perangkat sekitarnya (Ergen 2004).
Topologi yang digunakan dalam penelitian ini menerapkan model topologi
Star karena data hasil pembacaan dari beberapa sensor akan dikirimkan kepada
komputer server yang bersifat terpusat. Gambar 3. memperlihatkan model
topologi star yang digunakan dalam penelitian ini.
P = Pan Coordinator
F = Full Function Device
Gambar 3 Model Topologi Star
8
Modul Xbee
Modul Xbee merupakan suatu modul yang dirancang untuk melakukan
transfer data menggunakan komunikasi nirkabel antar dua device dan aplikasi
jaringan sensor dengan biaya rendah dan berdaya rendah (DI 2009). Xbee
merupakan komunikasi wireless yang bekerja pada frekuensi 2.4G Zigbee,
900Mhz, dan lain-lain. Keunggulan utama dari modul Xbee ini adalah mempunyai
komsumsi daya yang rendah (low power), sehingga walaupun hanya di beri
tegangan baterai biasa masih mampu untuk dihidupkan, mampu melakukan
pengecekan, serta mengirimkan data. Dalam penelitian ini modul Xbee yang
digunakan adalah Xbee series 2 dimana pada series ini memiliki kelebihan yaitu
dukungan terhadap pengiriman data lebih dari dua modul Xbee dengan
menggunakan topologi star maupun mesh, berbeda jika dibandingkan dengan
modul Xbee series 1 yang hanya support untuk komunikasi point-to-point.
Apache Web Server
WebServer merupakan sebuah perangkat lunak dalam server yang
berfungsi menerima permintaan (request) berupa halaman web melalui HTTP atau
HTTPS dari klien yang dikenal dengan web browser dan mengirimkan kembali
(response) hasilnya dalam bentuk halaman-halaman web yang umumnya
berbentuk dokumen HTML Ada beberapa aplikasi web server yang sering
digunakan dan cukup terkenal diantaranya Apache dan ISS (Internet Information
Service). Pada penelitian ini dipilih Apache web server karena bersifat
opensource, lebih stabil, pengaturan relatif lebih mudah, extensible. Untuk
dokumentasi lebih lanjut mengenai Apache dapat merujuk pada website
resminya yaitu : http://www.apache.org.
Penelitian Terkait
Ahonen et al. (2008) dalam penelitiannya mengatakan bahwa penggunaan
sistem kabel dalam sistem monitoring greenhouse dapat menyebabkan kerentanan
serta memerlukan biaya yang mahal dalam proses instalasinya. Dalam
penelitiannya Ahonen et al. mengusulkan penggunaan wireless sensor network
yang berupa node sensor berukuran kecil dengan menggunakan komunikasi
wireless yang terdiri atas radio komunikasi dan beberapa sensor, sehingga posisi
sensor pada sistem yang dibangun dapat dengan mudah dipindah dari satu lokasi
ke lokasi lainya dan lebih effisien dari segi biaya.
Yanfei et al. (2009) dalam penelitiannya mengatakan, teknologi zigbee
merupakan teknologi komunikasi nirkabel yang memiliki keunggulan diantaranya
konsumsi daya rendah, memiliki fault tolerance yang tinggi, dan fleksibel. Dalam
penggunaan skala yang lebih besar teknologi Zigbee dikenal dengan istilah
wireless sensor network (Yanfei et al. 2009). Tahapan design zigbee wireless
sensor network dilakukan berdasarkan empat bagian yaitu : perancangan zigbee
node hardware, perancangan interface, perancangan software pada sisi
coordinator dan perancangan software pada sisi processor.
9
Vrushali et al. (2012) dalam penelitiannya mengatakan, wireless sensor
network adalah kumpulan sensor dan node aktuator yang dihubungkan oleh
media nirkabel untuk melakukan penginderaan dan melakukan tugas sebagai
penggerak aktuator. Node sensor mengumpulkan data dan berkomunikasi melalui
jaringan ke sistem komputer yang disebut komputer server (base station).
Menurut Al adwan et al. (2012), sistem kontrol pada greenhouse terdiri
atas beberapa komponen diantaranya, melakukan akuisisi data dari parameter
yang terjadi di dalam greenhouse melalui sensor, melakukan pengolahan data dan
membandingkan dengan hasil yang diinginkan, serta melakukan kontrol terhadap
sistem berdasarkan hasil yang didapatkan pada proses pengolahan data.
Zhang (2013) dalam penelitiannya mengatakan bahwa wireless sensor
network (WSN) dapat mendorong perkembangan pertanian menjadi lebih cerdas
dan otomatis. Pada penelitian ini, Zhang mengusulkan suatu metode dalam
mendapatkan informasi akuisisi data, pengolahan informasi dan pemanfaatan
informasi yaitu dengan menggunakan WSN, sehingga kedepan sistem ini dapat
diadaptasi pada sistem manajemen produksi pertanian diantaranya integrasi pada
sistem akuisisi data, transmisi digital, serta pada proses analisis data.
3 METODE PENELITIAN
Waktu dan Tempat
Penelitian dilaksanakan di laboratorium Net Centric Computing (NCC) Ilmu
Komputer dan Greenhouse di laboratorium lapangan Leuwikopo Institut
Pertanian Bogor dari bulan Januari 2014 sampai dengan bulan Juli 2014. Gambar
4 memperlihatkan greenhouse Leuwikopo Institut Pertanian Bogor.
Gambar 4 Greenhouse Leuwikopo Institut Pertanian Bogor
Komponen Instrumentasi Penelitian Alat dan bahan
Perangkat Keras (Hardware)
Sensor Suhu LM35, modul Xbee series 2, mikrokontroler DFRobot
Leonardo dengan xbee socket, catu daya dan seperangkat komputer sebagai base
station (server).
10
Perangkat Lunak (Software)
Software yang digunakan pada penelitian ini antara lain : Windows 7
operating systems, Arduino IDE, X-CTU, Hyperterminal, PHP, MySQL, Apache
server. Sementara bahasa pemrograman yang digunakan pada penelitian ini antara
lain : PHP, HTML, Javascript.
Tahapan Pelaksanaan Penelitian
Dalam mengembangkan sistem pemantauan suhu pada greenhouse berbasis
wireless menggunakan multi sensor ini dilakukan berdasarkan beberapa tahapan
antara lain : Tahapan persiapan (studi literatur, tinjauan lapangan, pembuatan
laporan), tahapan selanjutnya adalah tahapan perancangan sistem, melakukan
pengambilan data, dan tahapan terakhir adalah penyusunan laporan. Gambar 5
memperlihatkan tata laksana penelitian.
Persiapan
(Studi literatur, tinjauan lapangan, pembuatan
proposal
TIDAK
SIAP
YA
Pengembangan sistem pemantauan suhu pada
greenhouse berbasis wireless menggunakan multi
sensor
TIDAK
Berhasil ?
YA
Pengambilan data
Penyusunan laporan
Gambar 5 Tata Laksana Penelitian
11
Tahapan Perancangan Sistem Pemantauan Suhu pada Greenhouse
berbasis Wireless dengan Multi Sensor
Tahap perancangan sistem pemantauan suhu pada greenhouse terdiri dari
tiga bagian utama antara lain perancangan prototype modul sensor node router
(transmitter) dengan multi sensor suhu, perancangan akuisisi data secara nirkabel
(wireless) dan perancangan software antarmuka berbasis aplikasi web. Gambar 6
memperlihatkan tahapan perancangan sistem pemantauan suhu pada greenhouse
berbasis wireless menggunakan multi sensor.
Perancangan prototype sensor node router (transmiter)
Pada tahapan ini dilakukan perancangan prototype sensor node router yang
berfungsi sebagai transmiter, masing - masing terdiri dari sensor suhu,
mikrokontroler serta melakukan konfigurasi pada jalur pengiriman data
menggunakan xbee series 2.
Perancangan akuisisi data dengan komunikasi wireless pada node
Coordinator (receiver)
Pada tahapan ini dilakukan proses akuisisi data dengan menggunakan
komunikasi wireless dari beberapa sensor node router (transmiter) ke bagian
node coordinator (receiver) yang terdiri dari Xbee USB Adapter, modul
pengiriman (xbee series 2), kemudian data dikirim ke base station.
Perancangan software antar muka berbasis aplikasi web
Pada tahapan ini disajikan data hasil akuisisi melalui antarmuka berbentuk
website sistem pemantauan suhu pada greenhouse berbasis wireless
menggunakan multi sensor baik secara realtime maupun non realtime
Gambar 6 tahapan perancangan sistem pemantauan suhu pada greenhouse
berbasis wireless menggunakan multi sensor
Tahapan Perancangan Prototype Pengembangan Sistem Pemantauan Suhu
Greenhouse Berbasis Wireless Dengan Multi Sensor
Prototype pengembangan sistem monitoring greenhouse dalam penelitian
ini didefinisikan sebagai seperangkat hardware terintegrasi yang dapat melakukan
akuisisi data yaitu mengambil data fisis dari beberapa sensor node router berupa
perubahan parameter suhu di dalam greenhouse sesuai dengan penempatan sensor
node kemudian ditransmisikan secara nirkabel (wireless) ke bagian penerima
(sensor node coordinator), data hasil akuisisi dikirim ke bagian komputer server
12
(base station) serta ditampilkan dalam bentuk aplikasi web. Gambar 7
memperlihatkan diagram blok sistem pemantauan suhu pada greenhouse berbasis
wireless dengan multi sensor yang terdiri atas : modul sensor node router, sensor
node coordinator dan komputer server (base station).
Gambar 7 Diagram blok sistem pemantauan suhu pada greenhouse
berbasis wireless dengan multi sensor
Zona pengukuran suhu dalam greenhouse dapat dibagi menjadi beberapa
zona yaitu zona lokasional yang berupa daerah atap, dinding, dan lantai, zona
fungsional yang berupa daerah di sekitar tanaman baik pada bagian akar, daun,
batang, maupun buah, zona distributional yang merupakan representasi suhu di
dalam ruangan, serta zona pola (Seminar et al. 2006). Gambar 7 memperlihatkan
perancangan sistem pemantauan suhu pada greenhouse berbasis wireless dengan
multi sensor dan Gambar 8 memperlihatkan instalasi pemasangan sensor suhu
LM35 pada bangunan greenhouse.
Gambar 8 Perancangan penempatan modul sensor node router
dengan komunikasi wireless : (a).bagian atap, (b).bagian dinding
(c). sekitar tanaman, (d). bagian lantai
13
Perancangan Prototype Modul Sensor Node Router (Transmiter)
Prototype modul sensor node router (transmiter) dalam penelitian ini
didefinisikan sebagai seperangkat hardware terintegrasi yang dapat melakukan
akuisisi data yaitu mengambil data fisis berupa nilai suhu udara yang terjadi di
dalam greenhouse yang ditransmisikan secara nirkabel (wireless) ke sensor node
coordinator kemudian di kirim ke komputer server. Pada penelitian ini dibuat
sebanyak empat buah prototype modul sensor node router, yang masing-masing
terdiri dari empat buah sensor suhu LM35. Berikut adalah tahapan dalam
membuat rancangan prototype modul sensor node router yang terbagi menjadi
tahap perancangan hardware dan software.
Perancangan Hardware
Bagian ini terdiri dari sensor suhu LM35, modul DFRobot Leonardo
dengan xbee socket dan XBee transmiter. Gambar 9 memperlihatkan modul
sensor node router (transmiter).
Sensor
LM35
Mikrokontroler
DFRobot Leonardo
Supply Voltage
XBEE Series2
Antena
Gambar 9. Modul sensor node router
Sensor
Sensor adalah komponen yang berfungsi untuk mengubah besaran fisik
yang diukur menjadi sinyal elektrik. Sinyal elektrik tersebut disesuaikan level dan
bentuknya oleh rangkaian pengkondisi sinyal. Sinyal elektrik yang telah
dikondisikan ini masih berupa sinyal analog yang selanjutnya memasuki
rangkaian ADC (Analog to Digital Converter) untuk diubah menjadi sinyal digital
yang akan diterima oleh komputer (Azis 2010). Dalam lingkungan sistem
pengendali dan robotika, sensor memberikan kesamaan yang menyerupai mata,
pendengaran, hidung, lidah yang kemudian akan diolah oleh microcontroller atau
processor lain sebagai otaknya. Pada penelitian ini digunakan sensor suhu tipe
LM35 dimana sensor ini merupakan komponen elektronika yang memiliki fungsi
untuk mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan.
Sensor suhu LM35 yang dipakai dalam penelitian ini berupa komponen –
komponen elektronika yang diproduksi oleh Texas Instruments Incorporated.
Penggunaan tipe sensor ini dikarenakan memiliki keakuratan tinggi dan
kemudahan perancangan jika dibandingkan dengan sensor suhu yang lain, LM35
14
juga mempunyai keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi
sehingga dapat dengan mudah dihubungkan dengan rangkaian kendali khusus
serta tidak memerlukan penyetelan lanjutan (TII 2013). Gambar 10
memperlihatkan bentuk dan struktur sensor LM35.
Berikut karakteristik sensor LM35 :
Memiliki sensitivitas suhu, dengan faktor skala linier antara tegangan dan suhu
10 mVolt/ºC, sehingga dapat dikalibrasi langsung dalam celcius.
Memiliki jangkauan maksimal operasi suhu antara -55 ºC sampai +150 ºC.
Bekerja pada tegangan 4 sampai 30 volt.
Memiliki arus rendah yaitu kurang dari 60 µA.
Memiliki pemanasan sendiri yang rendah (low-heating) yaitu kurang dari 0,1
ºC pada udara diam.
Memiliki impedansi keluaran yang rendah yaitu 0,1 W untuk beban 1 mA.
Memiliki ketidaklinieran hanya sekitar ± ¼ ºC.
(a)
(b)
Gambar 10 (a) Sensor suhu LM35, (b) Struktur sensor LM35
Gambar 10 (b) menunjukan bentuk dari LM35 tampak depan dan tampak
bawah. 3 pin LM35 menujukan fungsi masing-masing pin diantaranya, pin 1
berfungsi sebagai sumber tegangan kerja dari LM35, pin 2 atau tengah digunakan
sebagai tegangan keluaran atau Vout dengan jangkauan kerja dari 0 Volt sampai
dengan 1,5 Volt dengan tegangan operasi sensor LM35 yang dapat digunakan
antar 4 Volt sampai 30 Volt.
Mikrokontroler Dfrobot Leonardo dengan Xbee Socket
Mikrokontroler DFRobot Leonardo dengan soket Xbee merupakan varian
dari Arduino Leonardo yang merupakan mikrokontroler dengan chip
ATmega32u4. Jika dibandingkan dengan tipe Arduino sebelumnya, Arduino
Leonardo merupakan tipe yang lebih sederhana juga lebih murah, karena untuk
chip mikrokontroler dan chip USB to serialnya digabung dalam 1
chip. Berdasarkan design resmi dari Arduino, DFRobot memproduksi board yang
serupa dengan Mikrokontroler Leonardo namun dengan penambahan Xbee socket.
Gambar 11 memperlihatkan desain mikrokontroler DFRobot Leonardo dengan
Xbee socket.
15
Gambar 11 DFRobot Leonardo dengan Xbee Socket
Modul DFRobot Leonardo dengan xbee socket berfungsi sebagai pengolah
data yang dibaca oleh sensor berupa data analog untuk kemudian diubah menjadi
data digital. Modul DFRobot Leonardo dengan Xbee socket ini sudah dilengkapi
dengan rangkaian analog to digital converter (ADC) 10 bit, sehingga tidak perlu
lagi menggunakan rangkaian ADC eksternal. Output dari sensor dapat langsung
dihubungkan dengan pin analog pada board serta modul ini sudah dilengkapi
dengan Xbee Socket sehingga tidak memerlukan Xbee shield seperti pada tipe
Arduino Uno maupun tipe lainnya. Dengan adanya socket ini, user dapat
menggunakannya bersama dengan Xbee, Wifi, Bluetooth maupun modul RF
lainnya, kemudian pin D14 hingga D16 dengan tambahan power supply dapat
memaksimalkan penggunaan chip ATmega32u4. Dengan tambahan pin ini, user
dapat menggunakannya untuk sensor-sensor digital maupun modul lainnya.
Adapun spesifikasi DFRobot Leonardo sebagai berikut:
Tegangan Masukan (limits): 6-12V
Mikrocontroller: ATmega32u4
Operasi Tegangan : 5V
Antarmuka: Micro USB
Kompatibel dengan Arduino R3 series pin mapping
Support Xbee dengan XBee socket maupun wifi,bluetooth and RF module
Extend D14~D16 digital pin dengan tegangan 5v
Clock Speed 16 MHz
Ukuran: 70x55x14mm
Digital I/O Pin: 20
PWM Channels: 6
Analog Input Channels: 12
DC Current per I/O Pin: 40 mA
DC Current : 3.3V Pin: 800 mA
Flash Memory 32 KB (ATmega32u4), 4 KB digunakan untuk bootloader
SRAM: 2.5 KB (ATmega32u4)
EEPROM: 1 KB (ATmega32u4)
16
Xbee Transmiter
Xbee transmiter pada bagian ini berfungsi sebagai pemancar. Xbee
transmiter digunakan untuk mengirimkan data secara wireless dari lokasi
prototype sensor node router ke komputer server. Xbee transmiter bekerja
berdasarkan protokol ZigBee. Gambar 12 memperlihatkan sebuah modul Xbee
series 2 dan susunan pin out yang dimilikinya (DI 2009).
(a)
(b)
Gambar 12 (a) Xbee series 2 dan (b) Susunan pin out Xbee series 2
Tahapan selanjutnya adalah Xbee transmiter dihubungkan ke host dalam
hal ini modul DFRobot Leonardo melalui Xbee socket yang terdapat pada modul.
Gambar 13 memperlihatkan pemasangan modul Xbee pada Xbee socket yang
terdapat pada mikrokontroler DFRobot Leonardo.
Gambar 13 Pemasangan Xbee Transmiter pada DFRobot Leonardo melalui
Xbee Socket
Perancangan Software
Pada tahapan perancangan software terbagi menjadi dua tahap sesuai
dengan peralatan yang digunakan yaitu perancangan software pada DFRobot
Leonardo dan Xbee transmiter.
17
Perancangan Software Pemrograman pada Mikrokontroler
DFRobot Leonardo
Untuk memproses data yang dibaca oleh sensor, maka harus dilakukan
pemrograman terlebih dahulu terhadap modul mikrokontroler DFRobot Leonardo
dimana modul ini mempunyai fitur yang hampir sama dengan Arduino buatan
Italia maka untuk memprogram modul ini dapat menggunakan software IDE
(Integrated Development Environment) Arduino. Dengan adanya Software IDE
Arduino memudahkan programmer untuk pemrograman karena sudah dilengkapi
dengan library yang siap pakai (Margolis, 2011). Pada penelitian ini digunakan
software IDE Arduino Versi 1.0.4. Gambar 14 memperlihatkan tampilan
antarmuka Software IDE Arduino.
Gambar 14 Tampilan antarmuka Software Arduino Versi 1.0.4
Perancangan Software Xbee Transmitter
Modul Xbee merupakan device yang mempunyai universal asynchronous
receiver/transmitter (UART) interface yang dapat secara langsung dihubungkan
dengan pin-pin pada modul Xbee usb adapter. Xbee transmitter memiliki dua
mode operasi yaitu mode transparant (AT) dan mode packet (API). Untuk
menghubungkan dua buah modul Xbee pada konfigurasi point-to-point sederhana
dapat menggunakan mode AT (DI 2009). Adapun kelebihan dari mode AT antara
lain : Sederhana, compatible dengan semua peralatan yang menggunakan
komunikasi serial, terbatas hanya untuk komunikasi point-to-point maupun mesh
antar beberapa modul Xbee. Sementara mode API mempunyai konfigurasi yang
lebih komplek dalam hal konfigurasi namun memiliki keunggulan yaitu memiliki
kemampuan yang lebih baik dibanding mode AT. Pada mode API, user dapat
membangun jaringan yang terdiri dari beberapa Xbee yang dapat berkomunikasi
dengan jaringan yang lebih komplek. Untuk mengaktifkan Xbee transmitter maka
harus dilakukan pemrograman terlebih dahulu. Untuk melakukan pemrograman
dapat dilakukan melalui sebuah software khusus yaitu X-CTU, aplikasi ini
merupakan aplikasi yang sediakan oleh produsen perusahaan Maxstream/Digi (DI
18
2009), aplikasi lainnya yang dapat digunakan untuk melakukan pemrograman
Xbee transmitter adalah software hyperterminal seperti Putty (Faludi 2011).
Untuk dapat melakukan komunikasi dengan baik, Xbee transmitter harus
diprogram dengan memberi alamat unik agar dapat dikenali oleh Xbee pada
bagian receiver. Pada penelitian ini digunakan mode AT karena hanya bersifat
yang sederhana dengan sistem pengalamatan 16 bit (DI 2009). Pada penelitian ini
dirancang empat buah prototype modul sensor node router yang masing masing
terdiri dari empat buah sensor suhu LM35. Gambar 15 memperlihatkan tampilan
antarmuka software X-CTU.
Gambar 15 Tampilan antarmuka software X-CTU
Perancangan Akuisisi Data Secara Nirkabel (Wireless)
Setelah melakukan perancangan pada modul node sensor tahapan
selanjutnya adalah melakukan tahapan akuisisi data secara nirkabel (wireless)
dengan melakukan perancangan pada bagian penerima yaitu node sensor
coordinator. Berikut adalah tahapan dalam membuat rancangan node sensor
coordinator yang berfungsi untuk melakukan akuisisi data secara wireless.
Perancangan Hardware
Bagian ini terdiri dari modul XBee receiver dan XBee USB adapter.
Gambar 16 memperlihatkan perancangan modul sensor node coordinator
(receiver) dan komputer server.
19
Antena
XBEE Series 2
XBEE
USB
ADAPTER
Komputer
Server
(Base station)
Gambar 16 Modul sensor node coordinator dan komputer server
XBee Receiver
XBee receiver pada bagian ini berfungsi sebagai penerima (receiver) dan
memiliki spesifikasi yang sama dengan XBee transmiter pada bagian node sensor
router (pemancar). XBee receiver ini digunakan untuk menerima data secara
wireless dari modul node sensor router. Pada bagian ini Xbee receiver
dihubungkan ke host yaitu modul XBee adapter.
Modul XBee USB Adapter
Modul Xbee USB adapter yang digunakan adalah DFRobot XBee USB
Adapter dengan interface yang dapat langsung dihubungkan dengan pin-pin
XBee receiver, sehingga memungkinkan XBee receiver dapat langsung
dipasangkan. Fungsi utama dari modul XBee USB adapter ini adalah sebagai
jembatan yang menghubungkan antara XBee receiver dengan port serial pada
komputer. Data serial yang diterima oleh komputer server dapat diakses dengan
melakukan koneksi terlebih dahulu ke COM yang terbaca pada perangkat
komputer server. Pada saat Xbee USB Adapter dihubungkan ke komputer dengan
Mini-B USB, maka komputer biasanya akan meminta driver terlebih dahulu.
Dengan adanya driver memungkinkan setiap hardware yang dihubungkan dengan
kabel USB akan terdeteksi oleh komputer. Untuk melakukan pengujian bahwa
data sedang diterima oleh komputer server maka dapat menggunakan aplikasi
hyperterminal (Faludi 2011). Gambar 17 memperlihatkan modul Xbee USB
Adapter.
Gambar 17 Modul Xbee USB Adapter
20
Perancangan Software
XBee Receiver pada Bagian Sensor Node Coordinator
Pada tahapan ini dilakukan konfigurasi komunikasi pada XBee receiver
pada bagian node sensor coordinator yaitu melakukan pemrograman dengan
memberi alamat unik sedemikian sehingga dapat berkomunikasi dengan XBee
transmitter pada bagian node sensor router dari masing-masing titik penempatan
sensor. Pada penelitian ini terdapat empat buah prototype sensor node router yang
masing-masing akan mengirimkan data dari sensor suhu LM35.
Perancangan Software Antarmuka Berbasis Aplikasi Web
Pada tahapan ini dirancang Software antarmuka berbasis aplikasi web yang
berfungsi utama untuk menampilkan data hasil pembacaan sensor melalui browser.
Adapun Software antarmuka dibuat dengan menggunakan bahasa pemrograman
PHP, sedang