T1 672008302 Full text
1.
Pendahuluan
Teknologi tanpa kabel atau wireless telah mengalami perkembangan yang pesat dan
penggunaannya sendiri tidak asing bagi masyarakat. Teknologi wireless yang banyak digunakan
seperti Bluetooth, maupun wifi, karena kedua perangkat ini sudah banyak diaplikasikan pada
smartphone, laptop, dan beberapa perangkat lainnya. Zigbee adalah standart IEEE 802.15.4
untuk komunikasi data dengan konsumsi daya yang rendah dan bekerja untuk jaringan personal
tingkat rendah. Perangkat Zigbee biasa digunakan untuk mengendalikan sebuah alat lain maupun
sebuah sensor yang bekerja secara wireless. Irigasi merupakan komponen penting untuk
meningkatkan produktivitas pertanian. Pemberian air irigasi yang terus menerus tanpa
memperhatikan kebutuhan akan mengakibatkan air terbuang percuma. Maka dari itu dibuat suatu
bendung untuk menampung sementara air yang akan dialirkan. Setiap waktu tertentu petugas
melakukan tugasnya untuk membuka dan menutup pintu bendung saluran irigasi dan
memberikan air saat diperlukan. Hal tersebut sangat tidak efisien dan menjadi kendala ketika
petugas lupa mengalirkan air yang mengakibatkan meluapnya air dan pintu bendung jebol. Oleh
karena itu perlu dikembangkan untuk pengaturan air irigasi sesuai dengan kebutuhannya. Sistem
irigasi otomatis akan memudahkan petugas dalam melakukan tugasnya. Komponen utama alat
kendali perangkat ini adalah sensor ultrasonik dan Zigbee. Sensor berfungsi sebagai pendeteksi
perubahan fisik ketinggian air sedangkan Zigbee digunakan sebagai sarana komunikasi.
Kelebihan dalam menggunakan alat ini adalah alat dapat bekerja secara otomatis yang dapat
membantu petugas dalam melakukan tugasnya dari manapun sejauh sinyal Zigbee dapat
berkomunikasi.
2.
Tinjauan Pustaka
Penerapan WSN pada dasarnya menggabungkan proses sensing, pengendalian dan
komunikasi menjadi satu alat yang disebut sensor node. Pada intinya sebuah sensor node terdiri
dari komponen pengendali (kontroler), sensor/aktuator, memori, perangkat komunikasi, dan catu
daya [1]. Thermocouple adalah salah satu dari sekian banyak sensor node yang digunakan
terutama dalam pengaturan suhu pada gedung bertingkat. Sensor ini dipasang di ruangan pada
setiap lantai dan saling berhubungan membentuk jaringan bintang. Agar sistem node pada sistem
WSN dapat terhubung satu dengan yang lain maka dibutuhkan suatu sistem komunikasi nirkabel
yang membutuhkan data rate yang kecil, konfigurasi sistem yang sederhana, daya baterai yang
kecil dan dapat bertahan bertahun-tahun lamanya. Dalam memenuhi kebutuhan tersebut, IEEE
telah mengembangkan standart jaringan baru 802.15.4. Zigbee termasuk di dalam standar
tersebut. Penggunaan teknologi zigbee dan sensor node thermocouple dirasa sangat tepat dalam
penerapan teknologi WSN untuk mengatur suhu pada gedung bertingkat.
Sensor ultrasonik merupakan sebuah sensor node yang digunakan bersamaan dengan
penerapan WSN. Alat ini biasa diaplikasikan untuk pengukuran ketinggian ataupun jarak. Sensor
ultrasonik menghasilkan gelombang suara yang biasa disebut gelombang ultrasonik [2].
Gelombang ultrasonik merupakan gelombang akustik yang memiliki frekuensi mulai dari 20 kHz
sampai dengan 20 MHZ. Gelombang inilah yang dimanfaatkan dalam pengukuran ketinggian.
Bukan hanya ketinggian pada tempat yang mudah dijangkau akan tetapi juga ketinggian pada
suatu tempat yang tertutup seperti di dalam bejana. Sensor ultrasonik dapat juga digunakan untuk
pengukuran ketinggian air pada penampung air milik PDAM (Perusahaan Daerah Air Minum)
Tirta Bening Kabupaten Pati yang masih melakukan pengukuruan dan pendataan secara manual
[3]. Dengan memanfaatkan sensor ultrasonik dan menggabungkannya dengan media transmisi
Xbee, maka dapat membuat suatu sistem pengukuran yang dilakukan dari jarak jauh.
Modul sensor ultrasonik merupakan pemancar dan penerima gelombang ultrasonik. Modul
sensor ultrasonik umumnya berbentuk papan elektronik ukuran kecil dengan beberapa rangkaian
elektronik dan dua buah transduser. Dari dua buah transduser ini, salah satu berfungsi sebagai
transmitter dan satu lagi sebagai receiver. Fungsi utama rangkaian sensor tersebut adalah untuk
memberitahukan kita ketika permukaan air telah mencapai ketinggian tertentu. Pada Gambar 2
menjelaskan bagaimana sensor ultrasonik bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang suara,
dimana sensor ini memancarkan gelombang suara yang kemudian menangkap pantulannya
kembali dengan perbedaan waktu sebagai dasar penginderaannya. Perbedaan waktu antara
gelombang suara dipancarkan dengan ditangkapnya kembali gelombang suara tersebut
berbanding lurus dengan jarak atau tinggi objek yang memantulkannya. Gelombang ultrasonik
merupakan gelombang mekanik dengan frekuensi diatas 20 kHz. Gelombang ini merambat
melalui media padat, cair dan gas, hal ini dikarenakan gelombang ultrasonik merupakan
rambatan energi sebagai interaksi dengan media yang dilaluinya [4]. Gelombang ultrasonik ini
sering dipergunakan dalam pemerikasaan kualitas produksi di dalam industri, untuk diagnosis
dan pengobatan dalam bidang kedokteran. Perambatan gelombang ultrasonik dalam media gas,
cair disebabkan oleh gerak bolak balik dari partikel-partikel yang melewati titik keseimbangan
searah dengan arah rambat gelombangnya. Gelombang ini disebut gelombang longitudinal.
Gambar 1 Gelombang Longitudinal
Sifat dari gelombang ultrasonik adalah memantul, diteruskan dan diserap oleh media.
Prinsip kerja ultrasonik yaitu memanfaatkan hasil pantulan dari gelombang ultrasonik apabila
ditransmisikan pada jaringan tertentu. Gelombang suara frekuensi tinggi dikirimkan ke dalam
media dan akan dipantulkan kembali ketika sampai pada batas medium yang berbeda.
Gelombang tersebut kemudian dideteksi dan mengubah gelombang analog menjadi sinyal
elektonik/digital. Apabila gelombang melalui sebuah medium, secara sistematis besarnya dapat
dihitung menggunakan rumus :
v = s/t
(5)
Dimana s adalah jarak (m), v adalah cepat rambat bunyi yaitu 340 m/detik dan t adalah
waktu tempuh dalam satuan detik.
Gambar 2 Ilustrasi Cara Kerja Sensor Ultrasonik HC-SR04.
Gambar 3 Bentuk Fisik Sensor HC-SR04.
Sebuah bendung memiliki fungsi, yaitu untuk meninggikan muka air sungai dan
mengalirkan sebagian aliran air sungai yang ada ke arah tepi kanan dan tepi kiri sungai untuk
mengalirkannya ke dalam saluran melalui sebuah bangunan pengambilan jaringan irigasi. Irigasi
menurut Peraturan Pemerintah (PP) No. 23/1982 Pasal 1 menjelaskan usaha penyediaan dan
pengaturan air untuk menunjang pertanian [6]. Irigasi permukaan merupakan sistem irigasi yang
menyadap air langsung di sungai melalui bangunan bendung maupun melalui bangunan
pengambilan bebas (free intake) kemudian air irigasi dialirkan secara gravitasi melalui saluran
sampai ke lahan pertanian. Dikenal dengan saluran primer, sekunder, dan tersier. Pengaturan air
ini dilakukan dengan pintu air. Prosesnya adalah gravitasi, tanah yang tinggi akan mendapat air
lebih dulu.
Pemodelan alat adalah suatu representasi atau formalisasi dalam bahasa tertentu dari suatu
sistem nyata. Model berisi tentang informasi suatu sistem yang dibuat dengan tujuan untuk
mempelajari suatu perilaku sistem yang sebenarnya [7]. Model dapat berupa tiruan dari suatu
benda, sistem atau peristiwa sesungguhnya yang hanya mengandung informasi yang dipandang
penting untuk ditelaah. Pemodelan alat pengontrol ketinggian air ini dikerjakan dengan metode
eksperimen semu. Metode eksperimen semu adalah penelitian yang mendekati percobaan
sungguhan dimana tidak mungkin mengadakan kontrol atau memanipulasikan semua variabel
yang relevan.
Wireless Personal Area Network (WPAN) dikhususkan pada ruang di sekitar pengguna
atau obyek dengan jarak 10-100 m. Umumnya Wireless Personal Area Network (WPAN)
memiliki jarak komunikasi maksimal 10 m saja. Lebih pendek dibandingkan dengan Wireless
Local Area Network (WLAN). Fokus dari WPAN adalah biaya sedikit (low cost), daya rendah
(low power), jarak pendek (short range) dan ukuran yang kecil. IEEE 802.15 adalah kelompok
kerja dari WPAN. WPAN dibedakan menurut penggunaan baterai, data rate, dan kualitas
layanan. IEEE 802.15.1 / Bluetooth merupakan medium data rate WPAN yang digunakan untuk
telepon selular maupun PDA (Personal Digital Asistance) dan memiliki kualitas layanan yang
cocok untuk suara [8]. Sedangkan IEEE 802.15.4 yang merupakan low rate WPAN digunakan
untuk layanan industri, perumahan, dengan konsumsi daya rendah serta memerlukan data rate
dan kualitas layanan yang tidak terlalu tinggi.
ZigBee adalah standar dari IEEE 802.15.4 untuk komunikasi data pada alat konsumen
pribadi maupun untuk skala bisnis. ZigBee didesain dengan konsumsi daya yang rendah dan
bekerja untuk jaringan personal tingkat rendah. Perangkat ZigBee biasa digunakan untuk
mengendalikan sebuah alat lain maupun sebagai sebuah sensor wireless. ZigBee memiliki fitur
dimana mampu mengatur jaringan sendiri, maupun mengatur pertukaran data pada jaringan.
Kelebihan dari ZigBee lainnya adalah membutuhkan daya rendah, sehingga dapat digunakan
sebagai alat pengatur secara wireless yang penginstalan hanya perlu dilakukan sekali, karena
hanya dengan satu baterai dapat membuat ZigBee bertahan lama. Selain itu ZigBee juga
memiliki topologi jaringan “mesh” sehingga mampu membentuk jaringan yang lebih luas dan
data yang lebih diandalkan.
Teknologi dari ZigBee sendiri dimaksudkan untuk penggunaan pengiriman data secara
nirkabel yang membutuhkan transmisi data rendah dan juga konsumsi daya rendah, dan juga
tidak lebih mahal dibandingkan dengan WPAN lain seperti Bluetooth. Standar ZigBee sendiri
lebih banyak diaplikasikan kepada sistem tertanam (embedded application) seperti pengendalian
industri atau pengendali alat lain secara wireless, data logging, dan lain-lain [9]. ZigBee memilki
transfer rate sekitar 250 Kbps, yang lebih rendah dibandingkan dengan WPAN lain seperti
Bluetooth yang mempunyai transfer rate dengan 1 Mbps. Sedangkan jarak atau range kerja dari
ZigBee sendiri sekitar 76 m, dimana jaraknya lebih jauh dibandingkan dengan Bluetooth.
Dengan konsumsi daya yang rendah, maka sebuah alat yang menggunakan standar ZigBee dapat
menggunakan sebuah baterai yang dapat membuat alat tersebut bertahan lama.
Teknologi Xbee merupakan produk teknologi dari digi international. Xbee menggunakan
teknologi 802.15.4 seperti dengan Zigbee dengan data rate rendah yang ditujukan untuk
otomatisasi, pemantauan dan remote control. Xbee berada dalam WPAN bersama bluetooth dan
UWB (Ultra Wide Band), ketiga teknologi inilah yang sekarang sedang menjadi perhatian dunia
dalam bidang teknologi WPAN, khususnya Xbee yang masih tergolong baru [10]. Xbee
berfungsi pada laju data yang relatif rendah pada jarak yang relatif pendek dibandingkan dengan
wi-fi. Tujuannya untuk mengembangkan teknologi yang berbiaya, berpenggunaan daya dan laju
data yang rendah. Teknologi Xbee memungkinkan koordinasi komunikasi antar ribuan sensor
kecil, yang dapat tersebar dalam kantor, peternakan, pertanian ataupun pabrik. Alat ini dirancang
hemat energi karena akan dibiarkan selama 5 sampai 10 tahun dan baterainya harus bertahan
selama itu. Perangkat Xbee berkomunikasi secara efisien, meneruskan data melalui gelombang
radio dari satu ke yang lain seperti barisan ember.
Transmitter adalah sebuah perangkat komunikasi yang berfungsi sebagai pengirim data
secara wireless untuk menyalurkan sumber informasi ke sistem komunikasi. Receiver merupakan
rangkaian elektronik yang berfungsi sebagai penerima data. Rangkaian receiver ini adalah
pasangan dari pemancar agar dapat berfungsi sebagai alat komunikasi. Tanpa adanya kedua alat
ini tidak akan tercipta alat komunikasi yang baik [4]. Pembuatan transmitter dan receiver
dipergunakan pada masing-masing alat yaitu berupa rangkaian pemacar dan rangkaian penerima.
Pada rangkaian penerima mempunyai cara kerja yang cukup sederhana dimana tidak ada sistem
modulasi atau pegiriman data yang diterapkan, rangkaian ini hanya difungsikan sebagai pembuka
atau pengontrol pintu air yang dihubungkan dengan sensor ultrasonik. Sedangkan rangkaian
pengirim difungsikan sebagai alat pengirim yang nantinya dikirimkan ke rangkaian penerima,
cara kerja rangkaian ini adalah memanfaatkan transmisi 2,4 GHz sebagai media pembawa
perintah ke rangkaian penerima.
Wireless sensor network (jaringan sensor nirkabel) adalah alat yang menggunakan jaringan
nirkabel serta sensor untuk memonitor fisik atau kondisi lingkungan sekitar seperti, suhu, suara,
getaran, gelombang elektromagnetik, tekanan, gerakan, dan lain-lain. Perkembangan dari
wireless sensor network sebenarnya sudah dimulai dari kebutuhan dalam bidang militer seperti
pemantauan pada saat perang di medan perang [11], akan tetapi sekarang telah dipergunakan
dalam bidang industri dan penggunaan untuk kemudahan masyarakat sipil, melingkupi
pengawasan dan pengontrolan proses dalam industri, mesin pengawasan kesehatan, pemantau
kondisi lingkungan, aplikasi untuk kesehatan, otomatisasi pada rumah, dan pengaturan pada lalu
lintas.
3.
Perancangan Sistem
Secara umum sistem ini bekerja dengan input dari sensor ultrasonik yang berupa
gelombang ultrasonik yang kemudian diproses dalam sistem dan mengeluarkan hasil atau output
berupa display atau informasi yang ditampilkan pada layar LCD. Gambar 4 merupakan
gambaran secara umum alat bekerja. Sensor ultrasonik mengeluarkan informasi berupa data
analog yaitu gelombang suara ultrasonik yang akan masuk pada mikrokontroler transmitter. Di
dalam mikrokontroler ini data yang berupa data analog akan dikonversi menjadi data digital.
Data digital ini akan diteruskan ke Xbee Transmitter kemudian dilanjutkan ke Xbee receiver.
Data Xbee ini akan dilanjutkan ke Microcontroller Receiver yang akan diterjemahkan menjadi
informasi yang dapat ditampilkan pada LCD.
Sensor Ultrasonik
Motor
DC
Tx
Rx
Penampung air
Mikrokontroler
Receiver Xbee
Transmitter Xbee
Mikrokontroler
Tombol Perintah
LCD
Gambar 4 Blok Diagram Sistem Transmitter dan Receiver
Pengumpulan informasi dan bahan diawali dengan mencari kebutuhan sistem yang akan
dibuat dan diaplikasikan pada pintu air, melakukan pengukuran ketinggian pada sekitar pintu air
untuk mengetahui berapa ketinggian maksimal dan minimal yang nantinya akan digunakan
sebagai patokan batas. Pada tahapan ini juga dilakukan dilakukan analisis kebutuhan sistem dan
pengguna yaitu dengan memahami cara kerja otentikasi sistem pengatur ketinggian air dengan
memanfaatkan wireless. Dari segi teknis maka yang dibutuhkan adalah sensor ultrasonik,
pengontrol level air, LCD, wireless sensor, transmitter, receiver.
MULAI
Inisialisasi alat
sensor
monitoring
Monitoring
tinggi air
Tidak
Monitor
Penampil,
warning
Batas Bawah 5
cm
tidak
Batas Atas
15 cm
Tidak
ya
Ya
Pintu Menutup
Pintu Membuka
Monitoring
Selesai
ya
SELESAI
Gambar 5 Flowchart Alur Kerja Alat
Alat yang dirancang ini bekerja dengan cara mengirimkan gelombang ultrasonik dari
transmitter sensor yang menyala. Sensor ini akan selalu mengirimkan gelombang ultrasonik
yang ditembakkan ke atas permukaan air kemudian gelombang itu akan dipantulkan kembali dan
akan ditangkap oleh receiver ultrasonik yang dipasang pada perangkat sensor yang sama. Data
yang diterima receiver ultrasonik akan diteruskan ke mikrokontroler transmitter. Data dari
receiver ini akan diubah dari data gelombang analog menjadi data digital di dalam
mikrokontroler. Data digital dari mikrokontroler akan diteruskan di Xbee Transmitter. Data dari
Xbee Transmitter akan diteruskan pada Xbee Receiver, kemudian data tersebut akan menjadi
input dari mikrokontroler receiver yang akan diolah dalam mikrokontroler untuk dapat
ditampilkan pada LCD display. Pada rangkaian LCD Display terdapat tombol untuk membuka
dan menutup gate atau pintu air. Ketika display menampilkan ketinggian air yang sudah cukup
tinggi maka operator dapat langsung menekan tombol untuk menutup pintu air, jadi penutupan
pintu air tidak dilakukan secara manual ke tempat pintu air yang biasanya berjarak cukup jauh
dari tempat pengawasan debit air. Pada rangkaian ini juga dibuat secara otomatis. Ketika petugas
lalai untuk melihat status air dan telah memenuhi syarat untuk menutup/membuka gerbang maka
secara otomatis alat dapat beroperasi.
4.
Hasil dan Pembahasan
Rangkaian masing-masing dihubungkan dengan aliran listrik 220 volt. Pada rangkaian
receiver/penerima terdapat LCD menghasilkan output berupa data digital yang dikirimkan dari
receiver, agar transmitter dan receiver dapat berkomunikasi menggunakan frekuensi yang sama
yaitu 2,4 Ghz. Sedangkan untuk rangkaian transmitter atau pengirim terdapat sensor ultrasonik
yang berfungsi sebagai penghitung jarak ketinggian air. Pada Gambar 6 merupakan hasil yaitu
komponen yang terdiri dari rangkaian transmitter dan receiver.
Gambar 6 Modul Alat Kontrol
Cara kerja model alat ini secara keseluruhan adalah sensor ultrasonik mengukur
ketinggian kemudian data dari sengukuran sensor ini diteruskan untuk ditampilkan pada LCD
melalui media wireless Xbee. Pemacar ultrasonik akan membangkitkan sinyal kurang lebih 40
Khz dan menghasilkan gelombang suara kemudian dipancarkan oleh transducer transmitter.
Pantulan gelombang suara ini akan mengenai benda yang berada di depannya dan ditangkap oleh
transducer receiver. Pengujian pemancar ini dilakukan melalui beberapa media yaitu media
keras dan media air. dalam pengujian ini dilakukan akuisisi pengukuran jarak sensor ultrasonik
dengan jarak yang sebenarnya menggunakan mistar. Pada percobaan pertama pengukuran tinggi
sensor menggunakan media lantai sebagai media keras.
Tabel 1 Evaluasi Terhadap Pengukuran yang Sebenarnya pada Media Keras (Lantai)
No Tinggi dari Dasar (cm) Tinggi Sensor dari Media Keras (cm) eror
18
18
0
1
17
17
0
2
16
16
0
3
15
15
0
4
14
14
0
5
13
13
0
6
12
12
0
7
11
11
0
8
10
10
0
9
9
9
0
10
8
8
0
11
7
7
0
12
6
6
0
13
5
5
0
14
4
4
0
15
3
3
0
16
2
2
0
17
1
1
0
18
0
0
0
19
Tahap pertama yang dilakukan dalam percobaan adalah mengujur alat terhadap jarak
yang sebenarnya. Pengukuran dilakukan dengan mgnggunakan mistar yang diletakkan pada
media yang keras. Pengukuran ini menjadi patokan alat dalam mengukur ketinggian. Percobaan
pertama ini dilakukan untuk mencari eror pada sensor ultrasonik yang terjadi dalam alat ini
terhadap jarak yang sebenarnya. Hasil yang diperoleh adalah jarak yang sebenarnya tidak boleh
ada eror karena akan kembali menjadi patokan dalam pengukuran ketinggian air. Hasil
percobaan dapat dilihat pada Tabel 1. Percobaan kedua dilakukan diatas media air. Pengujian ini
menggunakan tabung yang diisi oleh air dan sensor diletakkan diatas tabung. Tabung yang
dipergunakan juga diberi tanda dengan ukuran cm dengan menggunakan mistar. Hasil percobaan
kedua dapat dilihat pada Tabel 2. Dari hasil percobaan kedua terdapat kekeliruan dalam
pengukuran dan dapat disimpulkan bahwa pengukuran dilakukan secara terbalik agar ditentukan
jarak yang sebenarnya di lapangan. Dari percobaan dengan menggunakan media air ditemukan
beberapa kendala yaitu ketika air bergoyang maka sensor ultrasonik kurang akurat dalam
pengukuran. Oleh karena itu diperlukan percobaan atau pengujian yang selanjutnya
menggunakan media keras dan dapat terapung diatas air. Media ini diharapkan dapat mengurangi
gelombang yang terjadi ketika air bergerak. Media yang dipilih adalah sterofoam atau gabus,
hasil dapat dilihat pada Gambar 7 dan Tabel 2.
Dalam pengujian dilakukan akuisisi pengukuran jarak sensor ultrasonik dengan jarak
yang sebenarnya menggunakan mistar per 0 cm sampai jarak 20 cm. Prinsip kerja sensor
ultrasonik yaitu mendeteksi objek dengan cara mengirimkan gelombang ultrasonik dan kemudian
menerima pantulan gelombang tersebut. Sensor pengirim akan mengirimkan gelombang
ultrasonik ketika ada pulsa trigger yang dibangkitkan dari mikrokontroler. Gelombang ultrasonik
sebesar 40 KHz akan dipancarkan dan merambat dengan kecepatan 340 m/s, mengenai objek
kemudian terpantul kembali ke sensor penerima. Selama menunggu pantulan, sensor pengirim
akan menghasilkan pulsa yang terus menerus dilepaskan. Pulsa akan berhenti ketika gelombang
pantulan terdeteksi oleh sensor penerima. Oleh karena itu lebar pulsa dapat merepresentasikan
jarak antara sensor dengan objek. Selanjutnya mikrokontroler akan mengukur lebar pulsa dan
mengkonversi dalam bentuk jarak. Kemudian hasil perhitungan akan ditransmisikan secara
nirkabel menggunakan Xbee dan ditampilkan pada layar penampil LCD.
Tabel 2 Evaluasi Terhadap Pengukuran pada Media Air
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Tinggi
dari
Dasar
(cm)
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Tinggi Sensor dari
Permukaan Air yang
Seharusnya Tertampil
(cm)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Tinggi Sensor dari
Permukaan Air yang
Tertampil pada LCD
(cm)
0
0
0
1
2
3
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Tinggi Sensor dari
Permukaan Air
Setelah Ditambah
Gabus (cm)
0
0
2
3
4
5
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Gambar 7 Pengujian Sensor diatas Media Gabus
Dari hasil percobaan yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa media sterofoam dapat
mengurangi gelombang yang terjadi ketika air bergerak dan secara bebas naik turun mengikuti
air yang surut atau pasang. Perbedaan jarak hasil pengujian dengan jarak dengan mistar dapat
disebabkan karena noise. Modul sensor bekerja berdasarkan prinsip pemantulan gelombang
ultrasonik, terkadang pantulan gelombang ultrasonik menjadi tidak periodik dan menyebabkan
hasil pengukuran tidak akurat.
Dalam pengujian dengan berbagai skenario, terkadang ada beberapa masalah yang terjadi.
Masalah yang terjadi seperti, kurang kuatnya solder yang menempel pada kaki-kaki komponen,
ada komponen yang tidak berfungsi, dan berbagai masalah lain yang ada selama pengujian.
Karena banyak masalah yang ada selama pengujian ini, diperlukan ketelitian dan kemampuan
trouble shooting yang cukup. Pemeriksaan komponen-komponen dengan multi tester baiknya
dilakukan untuk melihat apakah komponen-komponen masih berfungsi dengan baik atau tidak.
Tak jarang harus membongkar rangkaian karena ada masalah saat pengujian, tentunya setelah
mengetahui penyebab alat tak berfungsi dengan baik.
Hasil yang diperoleh dari pengujian yaitu pada rangkaian transmitter mempunyai fungsi
sebagai pemancar atau pengirim yang memancarkan sinyal untuk dikirim kepada rangkaian
receiver. Pengiriman sinyal ini berupa sinyal digital. Sinyal digital berisi data yang berasal dari
sensor ultrasonik. Sensor ini terdiri dari dua transducer, transducer pertama sebagai pengirim
gelombang ultrasonik, dan transducer kedua sebagai penerima gelombang ultrasonik. Cara kerja
sensor ini adalah, transducer pertama mengirim gelombang, ketika gelombang dipantulkan maka
akan diterima oleh transducer kedua, kemudian transducer penerima akan meneruskan data ke
mikrokontroler, otak yang mengolah semua kegiatan. Di dalam mikrokontroler sendiri terjadi
kegiatan yang mengolah data yang dikirimkan dari sensor ultrasonik ke Xbee kemudian
dipancarkan ke rangkaian modul receiver. Rangkaian transmitter selanjutnya terdapat proses
penerimaan untuk proses buka tutup pintu air. Ketika sinyal diterima maka akan diteruskan ke
mikrokontroler yang kemudian diolah menuju motor DC atau rangkaian pintu dan pintu
membuka atau menutup dengan sendirinya.
Gambar 8 Modul Transmitter dan Receiver Ketika Berjalan
Hasil secara keseluruhan diperoleh setelah mengintegrasikan bagian menjadi suatu
sistem. Bentuk fisik bagian transmitter dan bagian receiver masing-masing. Alat yang dirancang
ini bekerja dengan cara mengirimkan gelombang ultrasonik dari transmitter sensor yang
menyala. Sensor ini akan selalu mengirimkan gelombang ultrasonik yang ditembakkan ke atas
permukaan air kemudian gelombang itu akan dipantulkan kembali dan akan ditangkap oleh
receiver ultrasonik yang dipasang pada perangkat sensor yang sama. Data yang diterima receiver
ultrasonik akan diteruskan ke mikrokontroller Transmitter. Data dari receiver ini akan diubah
dari data gelombang analog menjadi data digital di dalam mikrokontroller. Data digital dari
microcontroller akan diteruskan di Xbee Transmitter. Data dari Xbee Transmitter akan
diteruskan pada Xbee Receiver, kemudian data tersebut akan menjadi input dari mikrokontroller
receiver yang akan diolah dalam mikrokontroler untuk dapat ditampilkan pada LCD. Pada
rangkaian LCD terdapat tombol untuk membuka dan menutup gate atau pintu air. Ketika display
menampilkan ketinggian air yang sudah cukup tinggi maka operator dapat langsung menekan
tombol untuk menutup pintu air. Jadi penutupan pintu air tidak dilakukan secara manual ke
tempat pintu air yang biasanya berjarak cukup jauh dari tempat pengawasan debit air.
Rangkaian receiver menerima sinyal yang dipancarkan dari transmitter. Sinyal yang
diterima akan diolah kemudian ditampilkan pada LCD yang merupakan output. Output pada
Gambar 9 berupa tampilan ketinggian air dalam satuan cm.
Gambar 9 Output LCD
Output ini kemudian digunakan untuk memonitor dan memudahkan untuk melakukan
pengontrolan pintu air. Pengontrol pintu air dilakukan melalui rangkaian receiver ini, terdapat
tombol untuk membuka dan menutup pintu. Ketika ketinggian tertentu, tombol open ditekan,
kemudian diproses untuk diteruskan ke wireless Xbee dan dipancarkan. Proses yang sama terjadi
ketika menekan tombol close. Pemodelan pintu pada Gambar 10 terjadi ketika diberi perintah
untuk membuka. Alat juga dapat bekerja secara otomatis ketika ketinggian tertentu. Pada
ketinggian 4 cm pintu akan secara otomatis menutup sendiri dan ketika ketinggian 15 cm pintu
akan segera membuka hal ini untuk menanggulangi ketika petugas lupa untuk membuka atau
menutup pintu.
Gambar 10 Pintu Membuka
5.
Simpulan
Berdasarkan pada proses penelitian, proses implementasi dan juga proses pengujian pada
pemodelan alat pengontrol ketinggian air dengan menggunakan jaringan wireless Xbee dan
sensor ultrasonik maka diharapkan dapat memberikan solusi untuk petugas dalam melakukan
tugasnya untuk mengendalikan air pada bendung saluran irigasi. Apabila alat akan dipergunakan
pada keadaan yang sesungguhnya perlu perubahan pada motor yang dipergunakan serta program
untuk menyesuaikan pada kondisi yang sesungguhnya.
6.
Pustaka
[1] Sugiarto, Bambang, 2010, Perancangan Sistem Pengendalian Suhu padaGedung
Bertingkat dengan Teknologi Wireless Sensor Network, Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
Cakra M, 4(1), http://ojs.unud.ac.id/index.php/jem/article/download/2321/1528.
Diakses tanggal 20 November 2013
[2] Arief, U.Mediaty, 2011, Pengujian Sensor Ultrasonik PING untuk Pengukuran Level
Ketinggian dan Volume Air, Jurnal Ilmiah “Elektrikal Enjiniring” UNHAS,09(2),
http://journal.unnes.ac.id/sju/index.php/eduel/article/view/1895. Diakses tanggal 20
November 2013
[3] Valentino, Robert, 2012, Simulasi Aplikasi Monitoring Ketinggian Level Air
Menggunakan Sensor Ultrasonik HC SR04, Salatiga: UKSW
[4] Yuliyanti, Pradina. 2011. Cara Kerja Rangkaian Receiver dalam Rangkaian
Transmitter dan Receiver untuk Komunikasi dalam Media Air. Salatiga:UKSW
[5] Kanginan, Marthen, 2006, IPA Fisika untuk SMP Kelas VIII, Jakarta: Erlangga
[6] PP 23/1982, Irigasi, www.penataanruang.net/taru/nspm/PP_No23-1982.pdf. Diakses
tanggal 12 Agustus 2012
[7] Sridadi, Bambang, 2009, Pemodelan dan Simulasi Sistem, Bandung:Informatika
[8] Geier, Jim, 2005, Wireless Networks First Step, Yogyakarta: Andi
[9]
Ahamed, Riaz, 2005, The Role Of Zigbee Technology In future data Communication
System, Journal of Theoretical and Applied Information Technology,5(2),
http://www.jatit.org/volumes/research-papers/Vol5No2/5Vol5No2.pdf.
Diakses
tanggal 20 November 2013
[10] Mustofa, Ali, 2011, Zigbee Pada Sensor Nirkabel dan Jaringan Actuator, Dielektrika,
2(2), diakses tanggal 4 Februari 2013
[11] What Is a Wireless Sensor Network?, 2009 , NI Developer Zone, National Instruments
http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/8707 . diakses tanggal 21 November 2013
Pendahuluan
Teknologi tanpa kabel atau wireless telah mengalami perkembangan yang pesat dan
penggunaannya sendiri tidak asing bagi masyarakat. Teknologi wireless yang banyak digunakan
seperti Bluetooth, maupun wifi, karena kedua perangkat ini sudah banyak diaplikasikan pada
smartphone, laptop, dan beberapa perangkat lainnya. Zigbee adalah standart IEEE 802.15.4
untuk komunikasi data dengan konsumsi daya yang rendah dan bekerja untuk jaringan personal
tingkat rendah. Perangkat Zigbee biasa digunakan untuk mengendalikan sebuah alat lain maupun
sebuah sensor yang bekerja secara wireless. Irigasi merupakan komponen penting untuk
meningkatkan produktivitas pertanian. Pemberian air irigasi yang terus menerus tanpa
memperhatikan kebutuhan akan mengakibatkan air terbuang percuma. Maka dari itu dibuat suatu
bendung untuk menampung sementara air yang akan dialirkan. Setiap waktu tertentu petugas
melakukan tugasnya untuk membuka dan menutup pintu bendung saluran irigasi dan
memberikan air saat diperlukan. Hal tersebut sangat tidak efisien dan menjadi kendala ketika
petugas lupa mengalirkan air yang mengakibatkan meluapnya air dan pintu bendung jebol. Oleh
karena itu perlu dikembangkan untuk pengaturan air irigasi sesuai dengan kebutuhannya. Sistem
irigasi otomatis akan memudahkan petugas dalam melakukan tugasnya. Komponen utama alat
kendali perangkat ini adalah sensor ultrasonik dan Zigbee. Sensor berfungsi sebagai pendeteksi
perubahan fisik ketinggian air sedangkan Zigbee digunakan sebagai sarana komunikasi.
Kelebihan dalam menggunakan alat ini adalah alat dapat bekerja secara otomatis yang dapat
membantu petugas dalam melakukan tugasnya dari manapun sejauh sinyal Zigbee dapat
berkomunikasi.
2.
Tinjauan Pustaka
Penerapan WSN pada dasarnya menggabungkan proses sensing, pengendalian dan
komunikasi menjadi satu alat yang disebut sensor node. Pada intinya sebuah sensor node terdiri
dari komponen pengendali (kontroler), sensor/aktuator, memori, perangkat komunikasi, dan catu
daya [1]. Thermocouple adalah salah satu dari sekian banyak sensor node yang digunakan
terutama dalam pengaturan suhu pada gedung bertingkat. Sensor ini dipasang di ruangan pada
setiap lantai dan saling berhubungan membentuk jaringan bintang. Agar sistem node pada sistem
WSN dapat terhubung satu dengan yang lain maka dibutuhkan suatu sistem komunikasi nirkabel
yang membutuhkan data rate yang kecil, konfigurasi sistem yang sederhana, daya baterai yang
kecil dan dapat bertahan bertahun-tahun lamanya. Dalam memenuhi kebutuhan tersebut, IEEE
telah mengembangkan standart jaringan baru 802.15.4. Zigbee termasuk di dalam standar
tersebut. Penggunaan teknologi zigbee dan sensor node thermocouple dirasa sangat tepat dalam
penerapan teknologi WSN untuk mengatur suhu pada gedung bertingkat.
Sensor ultrasonik merupakan sebuah sensor node yang digunakan bersamaan dengan
penerapan WSN. Alat ini biasa diaplikasikan untuk pengukuran ketinggian ataupun jarak. Sensor
ultrasonik menghasilkan gelombang suara yang biasa disebut gelombang ultrasonik [2].
Gelombang ultrasonik merupakan gelombang akustik yang memiliki frekuensi mulai dari 20 kHz
sampai dengan 20 MHZ. Gelombang inilah yang dimanfaatkan dalam pengukuran ketinggian.
Bukan hanya ketinggian pada tempat yang mudah dijangkau akan tetapi juga ketinggian pada
suatu tempat yang tertutup seperti di dalam bejana. Sensor ultrasonik dapat juga digunakan untuk
pengukuran ketinggian air pada penampung air milik PDAM (Perusahaan Daerah Air Minum)
Tirta Bening Kabupaten Pati yang masih melakukan pengukuruan dan pendataan secara manual
[3]. Dengan memanfaatkan sensor ultrasonik dan menggabungkannya dengan media transmisi
Xbee, maka dapat membuat suatu sistem pengukuran yang dilakukan dari jarak jauh.
Modul sensor ultrasonik merupakan pemancar dan penerima gelombang ultrasonik. Modul
sensor ultrasonik umumnya berbentuk papan elektronik ukuran kecil dengan beberapa rangkaian
elektronik dan dua buah transduser. Dari dua buah transduser ini, salah satu berfungsi sebagai
transmitter dan satu lagi sebagai receiver. Fungsi utama rangkaian sensor tersebut adalah untuk
memberitahukan kita ketika permukaan air telah mencapai ketinggian tertentu. Pada Gambar 2
menjelaskan bagaimana sensor ultrasonik bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang suara,
dimana sensor ini memancarkan gelombang suara yang kemudian menangkap pantulannya
kembali dengan perbedaan waktu sebagai dasar penginderaannya. Perbedaan waktu antara
gelombang suara dipancarkan dengan ditangkapnya kembali gelombang suara tersebut
berbanding lurus dengan jarak atau tinggi objek yang memantulkannya. Gelombang ultrasonik
merupakan gelombang mekanik dengan frekuensi diatas 20 kHz. Gelombang ini merambat
melalui media padat, cair dan gas, hal ini dikarenakan gelombang ultrasonik merupakan
rambatan energi sebagai interaksi dengan media yang dilaluinya [4]. Gelombang ultrasonik ini
sering dipergunakan dalam pemerikasaan kualitas produksi di dalam industri, untuk diagnosis
dan pengobatan dalam bidang kedokteran. Perambatan gelombang ultrasonik dalam media gas,
cair disebabkan oleh gerak bolak balik dari partikel-partikel yang melewati titik keseimbangan
searah dengan arah rambat gelombangnya. Gelombang ini disebut gelombang longitudinal.
Gambar 1 Gelombang Longitudinal
Sifat dari gelombang ultrasonik adalah memantul, diteruskan dan diserap oleh media.
Prinsip kerja ultrasonik yaitu memanfaatkan hasil pantulan dari gelombang ultrasonik apabila
ditransmisikan pada jaringan tertentu. Gelombang suara frekuensi tinggi dikirimkan ke dalam
media dan akan dipantulkan kembali ketika sampai pada batas medium yang berbeda.
Gelombang tersebut kemudian dideteksi dan mengubah gelombang analog menjadi sinyal
elektonik/digital. Apabila gelombang melalui sebuah medium, secara sistematis besarnya dapat
dihitung menggunakan rumus :
v = s/t
(5)
Dimana s adalah jarak (m), v adalah cepat rambat bunyi yaitu 340 m/detik dan t adalah
waktu tempuh dalam satuan detik.
Gambar 2 Ilustrasi Cara Kerja Sensor Ultrasonik HC-SR04.
Gambar 3 Bentuk Fisik Sensor HC-SR04.
Sebuah bendung memiliki fungsi, yaitu untuk meninggikan muka air sungai dan
mengalirkan sebagian aliran air sungai yang ada ke arah tepi kanan dan tepi kiri sungai untuk
mengalirkannya ke dalam saluran melalui sebuah bangunan pengambilan jaringan irigasi. Irigasi
menurut Peraturan Pemerintah (PP) No. 23/1982 Pasal 1 menjelaskan usaha penyediaan dan
pengaturan air untuk menunjang pertanian [6]. Irigasi permukaan merupakan sistem irigasi yang
menyadap air langsung di sungai melalui bangunan bendung maupun melalui bangunan
pengambilan bebas (free intake) kemudian air irigasi dialirkan secara gravitasi melalui saluran
sampai ke lahan pertanian. Dikenal dengan saluran primer, sekunder, dan tersier. Pengaturan air
ini dilakukan dengan pintu air. Prosesnya adalah gravitasi, tanah yang tinggi akan mendapat air
lebih dulu.
Pemodelan alat adalah suatu representasi atau formalisasi dalam bahasa tertentu dari suatu
sistem nyata. Model berisi tentang informasi suatu sistem yang dibuat dengan tujuan untuk
mempelajari suatu perilaku sistem yang sebenarnya [7]. Model dapat berupa tiruan dari suatu
benda, sistem atau peristiwa sesungguhnya yang hanya mengandung informasi yang dipandang
penting untuk ditelaah. Pemodelan alat pengontrol ketinggian air ini dikerjakan dengan metode
eksperimen semu. Metode eksperimen semu adalah penelitian yang mendekati percobaan
sungguhan dimana tidak mungkin mengadakan kontrol atau memanipulasikan semua variabel
yang relevan.
Wireless Personal Area Network (WPAN) dikhususkan pada ruang di sekitar pengguna
atau obyek dengan jarak 10-100 m. Umumnya Wireless Personal Area Network (WPAN)
memiliki jarak komunikasi maksimal 10 m saja. Lebih pendek dibandingkan dengan Wireless
Local Area Network (WLAN). Fokus dari WPAN adalah biaya sedikit (low cost), daya rendah
(low power), jarak pendek (short range) dan ukuran yang kecil. IEEE 802.15 adalah kelompok
kerja dari WPAN. WPAN dibedakan menurut penggunaan baterai, data rate, dan kualitas
layanan. IEEE 802.15.1 / Bluetooth merupakan medium data rate WPAN yang digunakan untuk
telepon selular maupun PDA (Personal Digital Asistance) dan memiliki kualitas layanan yang
cocok untuk suara [8]. Sedangkan IEEE 802.15.4 yang merupakan low rate WPAN digunakan
untuk layanan industri, perumahan, dengan konsumsi daya rendah serta memerlukan data rate
dan kualitas layanan yang tidak terlalu tinggi.
ZigBee adalah standar dari IEEE 802.15.4 untuk komunikasi data pada alat konsumen
pribadi maupun untuk skala bisnis. ZigBee didesain dengan konsumsi daya yang rendah dan
bekerja untuk jaringan personal tingkat rendah. Perangkat ZigBee biasa digunakan untuk
mengendalikan sebuah alat lain maupun sebagai sebuah sensor wireless. ZigBee memiliki fitur
dimana mampu mengatur jaringan sendiri, maupun mengatur pertukaran data pada jaringan.
Kelebihan dari ZigBee lainnya adalah membutuhkan daya rendah, sehingga dapat digunakan
sebagai alat pengatur secara wireless yang penginstalan hanya perlu dilakukan sekali, karena
hanya dengan satu baterai dapat membuat ZigBee bertahan lama. Selain itu ZigBee juga
memiliki topologi jaringan “mesh” sehingga mampu membentuk jaringan yang lebih luas dan
data yang lebih diandalkan.
Teknologi dari ZigBee sendiri dimaksudkan untuk penggunaan pengiriman data secara
nirkabel yang membutuhkan transmisi data rendah dan juga konsumsi daya rendah, dan juga
tidak lebih mahal dibandingkan dengan WPAN lain seperti Bluetooth. Standar ZigBee sendiri
lebih banyak diaplikasikan kepada sistem tertanam (embedded application) seperti pengendalian
industri atau pengendali alat lain secara wireless, data logging, dan lain-lain [9]. ZigBee memilki
transfer rate sekitar 250 Kbps, yang lebih rendah dibandingkan dengan WPAN lain seperti
Bluetooth yang mempunyai transfer rate dengan 1 Mbps. Sedangkan jarak atau range kerja dari
ZigBee sendiri sekitar 76 m, dimana jaraknya lebih jauh dibandingkan dengan Bluetooth.
Dengan konsumsi daya yang rendah, maka sebuah alat yang menggunakan standar ZigBee dapat
menggunakan sebuah baterai yang dapat membuat alat tersebut bertahan lama.
Teknologi Xbee merupakan produk teknologi dari digi international. Xbee menggunakan
teknologi 802.15.4 seperti dengan Zigbee dengan data rate rendah yang ditujukan untuk
otomatisasi, pemantauan dan remote control. Xbee berada dalam WPAN bersama bluetooth dan
UWB (Ultra Wide Band), ketiga teknologi inilah yang sekarang sedang menjadi perhatian dunia
dalam bidang teknologi WPAN, khususnya Xbee yang masih tergolong baru [10]. Xbee
berfungsi pada laju data yang relatif rendah pada jarak yang relatif pendek dibandingkan dengan
wi-fi. Tujuannya untuk mengembangkan teknologi yang berbiaya, berpenggunaan daya dan laju
data yang rendah. Teknologi Xbee memungkinkan koordinasi komunikasi antar ribuan sensor
kecil, yang dapat tersebar dalam kantor, peternakan, pertanian ataupun pabrik. Alat ini dirancang
hemat energi karena akan dibiarkan selama 5 sampai 10 tahun dan baterainya harus bertahan
selama itu. Perangkat Xbee berkomunikasi secara efisien, meneruskan data melalui gelombang
radio dari satu ke yang lain seperti barisan ember.
Transmitter adalah sebuah perangkat komunikasi yang berfungsi sebagai pengirim data
secara wireless untuk menyalurkan sumber informasi ke sistem komunikasi. Receiver merupakan
rangkaian elektronik yang berfungsi sebagai penerima data. Rangkaian receiver ini adalah
pasangan dari pemancar agar dapat berfungsi sebagai alat komunikasi. Tanpa adanya kedua alat
ini tidak akan tercipta alat komunikasi yang baik [4]. Pembuatan transmitter dan receiver
dipergunakan pada masing-masing alat yaitu berupa rangkaian pemacar dan rangkaian penerima.
Pada rangkaian penerima mempunyai cara kerja yang cukup sederhana dimana tidak ada sistem
modulasi atau pegiriman data yang diterapkan, rangkaian ini hanya difungsikan sebagai pembuka
atau pengontrol pintu air yang dihubungkan dengan sensor ultrasonik. Sedangkan rangkaian
pengirim difungsikan sebagai alat pengirim yang nantinya dikirimkan ke rangkaian penerima,
cara kerja rangkaian ini adalah memanfaatkan transmisi 2,4 GHz sebagai media pembawa
perintah ke rangkaian penerima.
Wireless sensor network (jaringan sensor nirkabel) adalah alat yang menggunakan jaringan
nirkabel serta sensor untuk memonitor fisik atau kondisi lingkungan sekitar seperti, suhu, suara,
getaran, gelombang elektromagnetik, tekanan, gerakan, dan lain-lain. Perkembangan dari
wireless sensor network sebenarnya sudah dimulai dari kebutuhan dalam bidang militer seperti
pemantauan pada saat perang di medan perang [11], akan tetapi sekarang telah dipergunakan
dalam bidang industri dan penggunaan untuk kemudahan masyarakat sipil, melingkupi
pengawasan dan pengontrolan proses dalam industri, mesin pengawasan kesehatan, pemantau
kondisi lingkungan, aplikasi untuk kesehatan, otomatisasi pada rumah, dan pengaturan pada lalu
lintas.
3.
Perancangan Sistem
Secara umum sistem ini bekerja dengan input dari sensor ultrasonik yang berupa
gelombang ultrasonik yang kemudian diproses dalam sistem dan mengeluarkan hasil atau output
berupa display atau informasi yang ditampilkan pada layar LCD. Gambar 4 merupakan
gambaran secara umum alat bekerja. Sensor ultrasonik mengeluarkan informasi berupa data
analog yaitu gelombang suara ultrasonik yang akan masuk pada mikrokontroler transmitter. Di
dalam mikrokontroler ini data yang berupa data analog akan dikonversi menjadi data digital.
Data digital ini akan diteruskan ke Xbee Transmitter kemudian dilanjutkan ke Xbee receiver.
Data Xbee ini akan dilanjutkan ke Microcontroller Receiver yang akan diterjemahkan menjadi
informasi yang dapat ditampilkan pada LCD.
Sensor Ultrasonik
Motor
DC
Tx
Rx
Penampung air
Mikrokontroler
Receiver Xbee
Transmitter Xbee
Mikrokontroler
Tombol Perintah
LCD
Gambar 4 Blok Diagram Sistem Transmitter dan Receiver
Pengumpulan informasi dan bahan diawali dengan mencari kebutuhan sistem yang akan
dibuat dan diaplikasikan pada pintu air, melakukan pengukuran ketinggian pada sekitar pintu air
untuk mengetahui berapa ketinggian maksimal dan minimal yang nantinya akan digunakan
sebagai patokan batas. Pada tahapan ini juga dilakukan dilakukan analisis kebutuhan sistem dan
pengguna yaitu dengan memahami cara kerja otentikasi sistem pengatur ketinggian air dengan
memanfaatkan wireless. Dari segi teknis maka yang dibutuhkan adalah sensor ultrasonik,
pengontrol level air, LCD, wireless sensor, transmitter, receiver.
MULAI
Inisialisasi alat
sensor
monitoring
Monitoring
tinggi air
Tidak
Monitor
Penampil,
warning
Batas Bawah 5
cm
tidak
Batas Atas
15 cm
Tidak
ya
Ya
Pintu Menutup
Pintu Membuka
Monitoring
Selesai
ya
SELESAI
Gambar 5 Flowchart Alur Kerja Alat
Alat yang dirancang ini bekerja dengan cara mengirimkan gelombang ultrasonik dari
transmitter sensor yang menyala. Sensor ini akan selalu mengirimkan gelombang ultrasonik
yang ditembakkan ke atas permukaan air kemudian gelombang itu akan dipantulkan kembali dan
akan ditangkap oleh receiver ultrasonik yang dipasang pada perangkat sensor yang sama. Data
yang diterima receiver ultrasonik akan diteruskan ke mikrokontroler transmitter. Data dari
receiver ini akan diubah dari data gelombang analog menjadi data digital di dalam
mikrokontroler. Data digital dari mikrokontroler akan diteruskan di Xbee Transmitter. Data dari
Xbee Transmitter akan diteruskan pada Xbee Receiver, kemudian data tersebut akan menjadi
input dari mikrokontroler receiver yang akan diolah dalam mikrokontroler untuk dapat
ditampilkan pada LCD display. Pada rangkaian LCD Display terdapat tombol untuk membuka
dan menutup gate atau pintu air. Ketika display menampilkan ketinggian air yang sudah cukup
tinggi maka operator dapat langsung menekan tombol untuk menutup pintu air, jadi penutupan
pintu air tidak dilakukan secara manual ke tempat pintu air yang biasanya berjarak cukup jauh
dari tempat pengawasan debit air. Pada rangkaian ini juga dibuat secara otomatis. Ketika petugas
lalai untuk melihat status air dan telah memenuhi syarat untuk menutup/membuka gerbang maka
secara otomatis alat dapat beroperasi.
4.
Hasil dan Pembahasan
Rangkaian masing-masing dihubungkan dengan aliran listrik 220 volt. Pada rangkaian
receiver/penerima terdapat LCD menghasilkan output berupa data digital yang dikirimkan dari
receiver, agar transmitter dan receiver dapat berkomunikasi menggunakan frekuensi yang sama
yaitu 2,4 Ghz. Sedangkan untuk rangkaian transmitter atau pengirim terdapat sensor ultrasonik
yang berfungsi sebagai penghitung jarak ketinggian air. Pada Gambar 6 merupakan hasil yaitu
komponen yang terdiri dari rangkaian transmitter dan receiver.
Gambar 6 Modul Alat Kontrol
Cara kerja model alat ini secara keseluruhan adalah sensor ultrasonik mengukur
ketinggian kemudian data dari sengukuran sensor ini diteruskan untuk ditampilkan pada LCD
melalui media wireless Xbee. Pemacar ultrasonik akan membangkitkan sinyal kurang lebih 40
Khz dan menghasilkan gelombang suara kemudian dipancarkan oleh transducer transmitter.
Pantulan gelombang suara ini akan mengenai benda yang berada di depannya dan ditangkap oleh
transducer receiver. Pengujian pemancar ini dilakukan melalui beberapa media yaitu media
keras dan media air. dalam pengujian ini dilakukan akuisisi pengukuran jarak sensor ultrasonik
dengan jarak yang sebenarnya menggunakan mistar. Pada percobaan pertama pengukuran tinggi
sensor menggunakan media lantai sebagai media keras.
Tabel 1 Evaluasi Terhadap Pengukuran yang Sebenarnya pada Media Keras (Lantai)
No Tinggi dari Dasar (cm) Tinggi Sensor dari Media Keras (cm) eror
18
18
0
1
17
17
0
2
16
16
0
3
15
15
0
4
14
14
0
5
13
13
0
6
12
12
0
7
11
11
0
8
10
10
0
9
9
9
0
10
8
8
0
11
7
7
0
12
6
6
0
13
5
5
0
14
4
4
0
15
3
3
0
16
2
2
0
17
1
1
0
18
0
0
0
19
Tahap pertama yang dilakukan dalam percobaan adalah mengujur alat terhadap jarak
yang sebenarnya. Pengukuran dilakukan dengan mgnggunakan mistar yang diletakkan pada
media yang keras. Pengukuran ini menjadi patokan alat dalam mengukur ketinggian. Percobaan
pertama ini dilakukan untuk mencari eror pada sensor ultrasonik yang terjadi dalam alat ini
terhadap jarak yang sebenarnya. Hasil yang diperoleh adalah jarak yang sebenarnya tidak boleh
ada eror karena akan kembali menjadi patokan dalam pengukuran ketinggian air. Hasil
percobaan dapat dilihat pada Tabel 1. Percobaan kedua dilakukan diatas media air. Pengujian ini
menggunakan tabung yang diisi oleh air dan sensor diletakkan diatas tabung. Tabung yang
dipergunakan juga diberi tanda dengan ukuran cm dengan menggunakan mistar. Hasil percobaan
kedua dapat dilihat pada Tabel 2. Dari hasil percobaan kedua terdapat kekeliruan dalam
pengukuran dan dapat disimpulkan bahwa pengukuran dilakukan secara terbalik agar ditentukan
jarak yang sebenarnya di lapangan. Dari percobaan dengan menggunakan media air ditemukan
beberapa kendala yaitu ketika air bergoyang maka sensor ultrasonik kurang akurat dalam
pengukuran. Oleh karena itu diperlukan percobaan atau pengujian yang selanjutnya
menggunakan media keras dan dapat terapung diatas air. Media ini diharapkan dapat mengurangi
gelombang yang terjadi ketika air bergerak. Media yang dipilih adalah sterofoam atau gabus,
hasil dapat dilihat pada Gambar 7 dan Tabel 2.
Dalam pengujian dilakukan akuisisi pengukuran jarak sensor ultrasonik dengan jarak
yang sebenarnya menggunakan mistar per 0 cm sampai jarak 20 cm. Prinsip kerja sensor
ultrasonik yaitu mendeteksi objek dengan cara mengirimkan gelombang ultrasonik dan kemudian
menerima pantulan gelombang tersebut. Sensor pengirim akan mengirimkan gelombang
ultrasonik ketika ada pulsa trigger yang dibangkitkan dari mikrokontroler. Gelombang ultrasonik
sebesar 40 KHz akan dipancarkan dan merambat dengan kecepatan 340 m/s, mengenai objek
kemudian terpantul kembali ke sensor penerima. Selama menunggu pantulan, sensor pengirim
akan menghasilkan pulsa yang terus menerus dilepaskan. Pulsa akan berhenti ketika gelombang
pantulan terdeteksi oleh sensor penerima. Oleh karena itu lebar pulsa dapat merepresentasikan
jarak antara sensor dengan objek. Selanjutnya mikrokontroler akan mengukur lebar pulsa dan
mengkonversi dalam bentuk jarak. Kemudian hasil perhitungan akan ditransmisikan secara
nirkabel menggunakan Xbee dan ditampilkan pada layar penampil LCD.
Tabel 2 Evaluasi Terhadap Pengukuran pada Media Air
No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
Tinggi
dari
Dasar
(cm)
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Tinggi Sensor dari
Permukaan Air yang
Seharusnya Tertampil
(cm)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Tinggi Sensor dari
Permukaan Air yang
Tertampil pada LCD
(cm)
0
0
0
1
2
3
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
Tinggi Sensor dari
Permukaan Air
Setelah Ditambah
Gabus (cm)
0
0
2
3
4
5
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Gambar 7 Pengujian Sensor diatas Media Gabus
Dari hasil percobaan yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa media sterofoam dapat
mengurangi gelombang yang terjadi ketika air bergerak dan secara bebas naik turun mengikuti
air yang surut atau pasang. Perbedaan jarak hasil pengujian dengan jarak dengan mistar dapat
disebabkan karena noise. Modul sensor bekerja berdasarkan prinsip pemantulan gelombang
ultrasonik, terkadang pantulan gelombang ultrasonik menjadi tidak periodik dan menyebabkan
hasil pengukuran tidak akurat.
Dalam pengujian dengan berbagai skenario, terkadang ada beberapa masalah yang terjadi.
Masalah yang terjadi seperti, kurang kuatnya solder yang menempel pada kaki-kaki komponen,
ada komponen yang tidak berfungsi, dan berbagai masalah lain yang ada selama pengujian.
Karena banyak masalah yang ada selama pengujian ini, diperlukan ketelitian dan kemampuan
trouble shooting yang cukup. Pemeriksaan komponen-komponen dengan multi tester baiknya
dilakukan untuk melihat apakah komponen-komponen masih berfungsi dengan baik atau tidak.
Tak jarang harus membongkar rangkaian karena ada masalah saat pengujian, tentunya setelah
mengetahui penyebab alat tak berfungsi dengan baik.
Hasil yang diperoleh dari pengujian yaitu pada rangkaian transmitter mempunyai fungsi
sebagai pemancar atau pengirim yang memancarkan sinyal untuk dikirim kepada rangkaian
receiver. Pengiriman sinyal ini berupa sinyal digital. Sinyal digital berisi data yang berasal dari
sensor ultrasonik. Sensor ini terdiri dari dua transducer, transducer pertama sebagai pengirim
gelombang ultrasonik, dan transducer kedua sebagai penerima gelombang ultrasonik. Cara kerja
sensor ini adalah, transducer pertama mengirim gelombang, ketika gelombang dipantulkan maka
akan diterima oleh transducer kedua, kemudian transducer penerima akan meneruskan data ke
mikrokontroler, otak yang mengolah semua kegiatan. Di dalam mikrokontroler sendiri terjadi
kegiatan yang mengolah data yang dikirimkan dari sensor ultrasonik ke Xbee kemudian
dipancarkan ke rangkaian modul receiver. Rangkaian transmitter selanjutnya terdapat proses
penerimaan untuk proses buka tutup pintu air. Ketika sinyal diterima maka akan diteruskan ke
mikrokontroler yang kemudian diolah menuju motor DC atau rangkaian pintu dan pintu
membuka atau menutup dengan sendirinya.
Gambar 8 Modul Transmitter dan Receiver Ketika Berjalan
Hasil secara keseluruhan diperoleh setelah mengintegrasikan bagian menjadi suatu
sistem. Bentuk fisik bagian transmitter dan bagian receiver masing-masing. Alat yang dirancang
ini bekerja dengan cara mengirimkan gelombang ultrasonik dari transmitter sensor yang
menyala. Sensor ini akan selalu mengirimkan gelombang ultrasonik yang ditembakkan ke atas
permukaan air kemudian gelombang itu akan dipantulkan kembali dan akan ditangkap oleh
receiver ultrasonik yang dipasang pada perangkat sensor yang sama. Data yang diterima receiver
ultrasonik akan diteruskan ke mikrokontroller Transmitter. Data dari receiver ini akan diubah
dari data gelombang analog menjadi data digital di dalam mikrokontroller. Data digital dari
microcontroller akan diteruskan di Xbee Transmitter. Data dari Xbee Transmitter akan
diteruskan pada Xbee Receiver, kemudian data tersebut akan menjadi input dari mikrokontroller
receiver yang akan diolah dalam mikrokontroler untuk dapat ditampilkan pada LCD. Pada
rangkaian LCD terdapat tombol untuk membuka dan menutup gate atau pintu air. Ketika display
menampilkan ketinggian air yang sudah cukup tinggi maka operator dapat langsung menekan
tombol untuk menutup pintu air. Jadi penutupan pintu air tidak dilakukan secara manual ke
tempat pintu air yang biasanya berjarak cukup jauh dari tempat pengawasan debit air.
Rangkaian receiver menerima sinyal yang dipancarkan dari transmitter. Sinyal yang
diterima akan diolah kemudian ditampilkan pada LCD yang merupakan output. Output pada
Gambar 9 berupa tampilan ketinggian air dalam satuan cm.
Gambar 9 Output LCD
Output ini kemudian digunakan untuk memonitor dan memudahkan untuk melakukan
pengontrolan pintu air. Pengontrol pintu air dilakukan melalui rangkaian receiver ini, terdapat
tombol untuk membuka dan menutup pintu. Ketika ketinggian tertentu, tombol open ditekan,
kemudian diproses untuk diteruskan ke wireless Xbee dan dipancarkan. Proses yang sama terjadi
ketika menekan tombol close. Pemodelan pintu pada Gambar 10 terjadi ketika diberi perintah
untuk membuka. Alat juga dapat bekerja secara otomatis ketika ketinggian tertentu. Pada
ketinggian 4 cm pintu akan secara otomatis menutup sendiri dan ketika ketinggian 15 cm pintu
akan segera membuka hal ini untuk menanggulangi ketika petugas lupa untuk membuka atau
menutup pintu.
Gambar 10 Pintu Membuka
5.
Simpulan
Berdasarkan pada proses penelitian, proses implementasi dan juga proses pengujian pada
pemodelan alat pengontrol ketinggian air dengan menggunakan jaringan wireless Xbee dan
sensor ultrasonik maka diharapkan dapat memberikan solusi untuk petugas dalam melakukan
tugasnya untuk mengendalikan air pada bendung saluran irigasi. Apabila alat akan dipergunakan
pada keadaan yang sesungguhnya perlu perubahan pada motor yang dipergunakan serta program
untuk menyesuaikan pada kondisi yang sesungguhnya.
6.
Pustaka
[1] Sugiarto, Bambang, 2010, Perancangan Sistem Pengendalian Suhu padaGedung
Bertingkat dengan Teknologi Wireless Sensor Network, Jurnal Ilmiah Teknik Mesin
Cakra M, 4(1), http://ojs.unud.ac.id/index.php/jem/article/download/2321/1528.
Diakses tanggal 20 November 2013
[2] Arief, U.Mediaty, 2011, Pengujian Sensor Ultrasonik PING untuk Pengukuran Level
Ketinggian dan Volume Air, Jurnal Ilmiah “Elektrikal Enjiniring” UNHAS,09(2),
http://journal.unnes.ac.id/sju/index.php/eduel/article/view/1895. Diakses tanggal 20
November 2013
[3] Valentino, Robert, 2012, Simulasi Aplikasi Monitoring Ketinggian Level Air
Menggunakan Sensor Ultrasonik HC SR04, Salatiga: UKSW
[4] Yuliyanti, Pradina. 2011. Cara Kerja Rangkaian Receiver dalam Rangkaian
Transmitter dan Receiver untuk Komunikasi dalam Media Air. Salatiga:UKSW
[5] Kanginan, Marthen, 2006, IPA Fisika untuk SMP Kelas VIII, Jakarta: Erlangga
[6] PP 23/1982, Irigasi, www.penataanruang.net/taru/nspm/PP_No23-1982.pdf. Diakses
tanggal 12 Agustus 2012
[7] Sridadi, Bambang, 2009, Pemodelan dan Simulasi Sistem, Bandung:Informatika
[8] Geier, Jim, 2005, Wireless Networks First Step, Yogyakarta: Andi
[9]
Ahamed, Riaz, 2005, The Role Of Zigbee Technology In future data Communication
System, Journal of Theoretical and Applied Information Technology,5(2),
http://www.jatit.org/volumes/research-papers/Vol5No2/5Vol5No2.pdf.
Diakses
tanggal 20 November 2013
[10] Mustofa, Ali, 2011, Zigbee Pada Sensor Nirkabel dan Jaringan Actuator, Dielektrika,
2(2), diakses tanggal 4 Februari 2013
[11] What Is a Wireless Sensor Network?, 2009 , NI Developer Zone, National Instruments
http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/8707 . diakses tanggal 21 November 2013