Prototipe Alat Ukur Dan Rekam Kadar Hara Tanah Sawah Menggunakan Sensor Warna

  

Prototipe Alat Ukur Dan Rekam Kadar Hara Tanah Sawah

Menggunakan Sensor Warna

Supriadi Syam

  STMIK Handayani Makassar supriadisyam@handayani.ac.id

  

Abstrak

  Pada penelitian ini dirancang bangun sebuah prototipe alat ukur dan rekam kadar hara tanah sawah yang dapat memberikan informasi status kadar hara tanah sawah yang diukur. Sistem yang dibuat memiliki komponen utama, yaitu sebuah alat Arduino Uno R3, sensor shield, sensor shield, sensor warna, servo, pil pengekstrak hara dan 3 tabung reaksi yang digunakan untuk mengukur kadar nitrogen, kalium dan pH tanah.

  Sistem ini mampu memberikan informasi kadar hara melalui website sesuai data yang diunggah aplikasi dan menunjukkan koordinatnya pada peta digital. Selain bentuk dan cara penggunaan yang sederhana, penggunaan sensor warna juga menjadi alternatif sensor elektrokimia yang relatif mahal. Sistem ini juga mengimplementasikan algoritma Closest Pair Point dalam mengambil keputusan. Proses untuk mengirim data ke aplikasi dekstop menggunakan komunikasi serial dengan tambahan komponen Comport pada aplikasi. Pengiriman data didahului dengan melakukan koneksi ke port Com5 pada baudrate 9600. Data yang dikirim oleh alat akan diterima oleh aplikasi dan langsung diolah untuk menghasilkan keputusan status hara tanah. Aplikasi dekstop digunakan dalam menerima hasil pembacaan sensor dan pengolahan dengan menggunakan algoritma yang kemudian diunggah ke server dan ditampilkan ke dalam website. Hasil penelitian dengan melakukan pengujian sebanyak 20 sampel yang terdiri dari tanah sawah yang subur dan tanah sawah yang ekstrim. Hasil keputusan aplikasi dibandingkan dengan hasil uji kimia terhadap tanah menghasilkan tingkat keberhasilan 90% dalam pengukuran status nitrogen, 95% dalam pengukuran status kalium dan 100% untuk pengukuran pH. Sistem ini diaplikasikan untuk menguji sensor warna sebagai alternatif sensor elektrokimia dan merekam status hara tanah sawah.

  Kata Kunci : Tanah Sawah, Arduino Uno R3, nitrogen, kalium, pH, Sensor Warna.

1. Pendahuluan

  Indonesia merupakan negara agraris, dimana sebagian besar wilayahnya merupakan daerah persawahan dan perkebunan. Sebagai negara yang memiliki hasil bumi yang melimpah dan banyak memanfaatkan tanah sebagai medianya. Pemanfaatan tanah saat ini sangat luas terutama di bidang pertanian[1].

  Namun selama ini hasil produksi pertanian belum dapat memenuhi kebutuhan pangan dalam negeri sehingga kebijakan impor pun diberlakukan. Beberapa masalah yang mempengaruhi produktivitas hasil-hasil pertanian dalam negeri adalah biaya pengelolaan pertanian yang semakin tinggi seperti pembelian bibit, pupuk dan pestisida serta kelangkaan pupuk yang sering terjadi. Salah satu upaya untuk meningkatkan produksi pertanian adalah dengan menerapkan pola pertanian modern atau dikenal dengan istilah pertanian presisi. Dalam kegiatan pertanian presisi salah satu kegiatannya adalah melakukan pemantauan dan analisa kondisi tanah dengan menggunakaan sensor sebelum dilakukan kegiatan pengelolaan lahan.

  Teknologi sensor yang selama ini banyak digunakan dalam bidang pertanian adalah pemantauan kandungan unsur hara utama yaitu Nitrogen, Kalium dan pH dalam tanah. Prinsip pengukuran dari sensor deteksi kandungan unsur hara tersebut di dalam tanah umumnya menggunakan teknologi spectroscopy,

  

chromatography dan electrophoresis yang membutuhkan penanganan sampel yang rumit, peralatan yang

  besar dan berbiaya mahal serta prinsip elektrokimia. Selama ini jenis sensor dengan prinsip elektrokimia merupakan jenis sensor deteksi kandungan unsur hara yang telah banyak dikembangkan. Jenis pengukuran yang umum digunakan dalam sensor elektrokimia adalah teknik potensiometri dan amperometri, akan tetapi sensor dengan prinsip potensiometri masih memiliki kekurangan diantaranya adalah ukuran dimensi elektroda yang cukup besar, produk-produk komersial untuk sensor ini masih merupakan produk impor dan berbiaya mahal.

  Untuk menjawab kendala di atas maka dibutuhkan suatu sistem sensor untuk deteksi kandungan unsur hara utama di dalam tanah yaitu Nitrogen, Kalium dan pengukuran pH tanah yang sederhana serta mampu dikerjakan di dalam negeri. Bahkan memungkinkan untuk menyimpan statistik data pengukuran kandungan unsur hara tanah berdasarkan lokasi tanahnya.

2. Metode Penelitian

2.1. Metode Yang Digunakan

  Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode Software Development Life Cycle (SDLC) dengan Model Waterfall yang secara garis besar terdiri dari analisis, desain, pengkodean dan pengujian.

  Model tersebut kami aplikasikan dengan tahapan sebagai berikut : a. Tahap Perancangan

  Pengambilan data dan sampel

• Perancangan/pembuatan database
• Perancangan/pembuatan program aplikasi dan alat
• Ujicoba program aplikasi
• b.

  Tahap Evaluasi Keakuratan data.

• Keseuaian dengan output yang diinginkan.
• Kesesuaian dengan hasil pengujian analisis gravimetri
• 2.2. Lokasi Penelitian

  Lokasi penelitian dilakukan di Workshop STMIK Handayani Makassar dengan Populasi penelitian ini adalah lokasi tanah persawahan yang berada di desa Taeng Kabupaten Gowa dan desa Parenreng kecamatan segeri kabupatenPangkep. Sampel yang akan digunakan adalah sepuluh sampel tanah dari lokasi tanah sawah kabupaten Gowa dan sepuluh sampel tanah sawah kabupaten Pangkep. Alasan pemilihan sampel di kabupaten Gowa karena sawah yang dimaksud, dapat dipanen 3 kali setahun tanpa terpengaruh musim sedangkan sawah di kabupaten Pangkep maksimal bisa dipanen 2 kali setahun tergantung musim. Selain itu pada musim kemarau tanah sawah tersebut akan lembab dan ditanami tanaman seperti kacang-kacangan. Kondisi paling ekstrim sawah tersebut adalah saat tanahnya kering dan retak-retak.

3. Hasil dan Pembahasan

3.1. Rancangan Sistem

  Perancangan sistem dilakukan sebagai langkah awal sebelum terbentuknya suatu sistem beserta rangkaian elektronika pendukungnya yang siap untuk direalisasikan. Hal ini dilakukan agar sistem yang dibuat dapat berjalan sebagaimana mestinya.

  Gambar 1. Rancangan Sistem Berdasarkan rancangan di atas berikut deskripsi masing-masing bagian dari sistem.

  1. Tanah Sawah Tanah yang digunakan adalah tanah sawah yang diambil menggunakan teknik sampling metode sebaran dengan kedalaman 20 cm. Tanah tersebut diuji dalam keadaan lembab.

3.2. Analisis Kebutuhan Sistem

  2. Penggunaan sensor elektrokimia dalam pengukuran kadar hara memiliki kekurangan yaitu dimensi elektroda yang besar dan sulit didapatkan.

  Desain proses digunakan untuk membuat langkah-langkah dalam menciptakan suatu desain sistem secara keseluruhan. Secara umum proses pengukuran data warna menggunakan sensor warna digambarkan sebagai berikut.

  Setelah proses perancangan telah dibuat maka penulis melanjutkan untuk mendesain proses, tampilan program baik inputan data dan output data untuk memudahkan pengguna sistem. Pada tahap ini teknik pengkodean dimodelkan kemudian diproses dalam tahap koding. Proses desain ini merupakan proses penerjemahan dari analisis kebutuhan ke dalam bentuk representase sebuah model perangkat lunak yang dapat dinilai kualitasnya sebelum dilakukan koding.

  Pada tahapan ini dikembangkan berdasarkan hasil analisis kebutuhan sistem yang diperoleh pada tahap sebelumnya. Spesifikasi kebutuhan sistem diterjemahkan ke dalam fungsi-fungsi dengan interface yang dibutuhkan.

  4. Tidak adanya data kondisi kadar hara tanah yang tersedia dalam bentuk database dan dapat diakses secara publik.

  3. Sensor yang digunakan memiliki 3 parameter keluaran, sehingga memerlukan suatu metode atau algoritma untuk menghasilkan keputusan.

  Pengukuran kadar hara tanah melalui uji kimia menggunakan alat yang mahal dan memerlukan pengetahuan khusus pada bidang kimia.

  2. Sampel Tanah Sampel tanah yang sudah sesuai dengan keadaan yang dibutuhkan, dimasukkan ke dalam 3 tabung reaksi dengan tinggi tanah di dalam tabung reaksi ±1cm. kemudian ke dalam tabung reaksi berisi tanah tersebut ditambahkan pil ekstraktor nitrogen untuk tabung pertama, pil ekstraktor kalium untuk tabung kedua dan pil ekstraktor pH untuk tabung ketiga. Setelah itu ditambahkan aquadest sampai tinggi larutan ±6cm.

  Pada tahapan ini berlangsung dengan studi awal mengenai masalah yang ada, agar dapat diantisipasi segala permasalahan yang terkait dengan diterapkannya sistem yang baru. Adapun masalah yang teridentifikasi: 1.

  6. Cloud Data yang telah diunggah akan ditampilkan pada halaman website untuk diakses oleh semua kalangan pengguna.

  5. Aplikasi Dekstop Aplikasi yang berjalan pada komputer merupakan aplikasi yang dibuat khusus untuk berkomunikasi dengan alat ukur kadar hara tanah sawah. Aplikasi ini memungkinkan untuk menyimpan data, memberikan perintah dan menerima hasil pembacaan sensor. Selain itu aplikasi ini juga yang dapat digunakan untuk mengunggah data hasil pengukuran agar dapat ditampilkan pada halaman website.

  port dan baudrate yang harus disesuaikan pada Arduino dan aplikasi dekstop.

  4. Kabel USB A to B Kabel USB digunakan untuk proses komunikasi Arduino dengan aplikasi komputer yang akan menerima hasil pembacaan dari sensor. Komunikasi ini disebut dengan komunikasi serial. Menggunakan nomor

  3. Prototipe Alat Prototipe alat terdiri dari rangkaian Arduino, Sensor Shield, LED, Sensor Warna, Servo dan tempat tabung reaksi. LED akan menyala sesuai proses yang sedang berlangsung di dalam alat.

  Tabung reaksi siap untuk dipasang ke alat ukur.

3.3. Desain

  Gambar 2 Blok Diagram Perangkat Keras Sistem Sistem yang dibuat berupa perpaduan perangkat keras dan perangkat lunak, dimana data hasil pembacaan sensor di terima oleh aplikasi dekstop kemudian di unggah ke basis data website untuk ditampilkan dalam bentuk sistem informasi geografis. Sistem tersebut akan menampilkan data tentang lokasi, pemilik serta kadar hara tanah tersebut. Sistem ini dibangun dengan bahasa pemrograman yang berbeda, pada saat melakukan pembacaan data, menerima hasil pembacaan dan saat menampilkan data hasil pembacaan. Agar ketiga bahasa pemrograman dapat berkomunikasi yaitu antara program pada user dalam hal ini bahasa pemprograman php, aplikasi dekstop dengan bahasa pemrograman Pascal (Delphi), serta program arduino sebagai jembatan yang menghubungkan sensor dengan program aplikasi dekstop dan database SQL.

  Gambar 3 Arduino sebagai jembatan koneksi antara sensor dan aplikasi

3.4. Hasil Rancangan Sistem

  Berikut bentuk alat pengukuran ukur dan rekam kadar hara tanah: Gambar 3. Rancangan Alat

  Hasil pembacaan sensor dan proses algoritma akan dibandingkan dengan nilai yang disimpan di dalam database. Nilai-nilai tersebut didapatkan dari hasil pengukuran warna dari tabel warna status kadar hara tanah yang diproses dengan algoritma closest pair point.

  Tabel 1 Nilai Closest Pair (d) Status N, K dan pH

  No. Parameter Nilai d (Closest Pair) Keterangan

  1. Nitrogen 14059.8245 Depleted/Habis

  14519.2326 Deficient/Kurang 14978.6407 Adequate/Memadai 15438.0488 Sufficient/Cukup 15897.4569 Surplus/Lebih

  2. Kalium 9543.9195 Depleted/Habis

  10367,78 Deficient/Kurang 11191,6405 Adequate/Memadai 12014.8265 Sufficient/Cukup 12383.0126 Surplus/Lebih

  

3. pH 9696.853 Very Acid/pH 5.0

  10207.4059 Acid/pH 6.0 11717.9588 Slightly Acid/pH 6.5 12160.7047 Neutral/pH 7.0 17739.0646 Alkaline/pH 7.5

3.5. Pengujian Sistem

  Tabel 2 Pengujian Black Box terhadap sistem Tes Fungsi Hasil Keterangan

  Tampilan ini berisi halaman untuk melakukan penambahan, Tampilan Aplikasi Dekstop Berhasil pengeditan, penghapusan dan unggah data.

  Tampilan awal website ini berisi Tampilkan Awal Website Berhasil informasi tentang titik-titik lokasi yang telah diukur kadar haranya Tampilkan Data Detail Titik Lokasi

  Berhasil Titik Lokasi untuk menampilkan detail data lokasi tersebut

  Pengujian ini dilakukan bertujuan untuk melihat sejauh mana kemampuan sistem dapat berhasil dalam melakukan pengukuran kadar hara tanah. Untuk mengetahui keberhasilan sensor dan algoritma dilakukan pengujian dengan proses kimia analisis terhadap tanah yang diuji dengan sensor. Tingkat akurasi dihitung dengan membandingkan jumlah kesesuaian pengukuran proses kimia analisis dengan pembacaan sensor dan algoritma.

  Pengujian ini dilakukan dengan menggunakan 20 sampel tanah, yang kemudian dilakukan pembacaan sensor untuk mendapatkan status N, K dan pH. Pengujian dengan proses kimia analisis juga menggunakan 20 sampel tanah yang sama.

  Tabel 3 Pengujian Sensor dan Algoritma No.

  Sampel Jenis Hara Status Dengan Sensor dan Algoritma Status Dengan Kimia Analisis Keterangan

  1 N Adequate Adequate Sesuai K Sufficient Sufficient Sesuai pH Alkaline Alkaline Sesuai

  2 N Sufficient Sufficient Sesuai K Adequate Adequate Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  3 N Sufficient Sufficient Sesuai K Sufficient Sufficient Sesuai pH Alkaline Alkaline Sesuai

  4 N Sufficient Sufficient Sesuai K Adequate Adequate Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  5 N Sufficient Sufficient Sesuai K Deficient Deficient Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  6 N Deficient Deficient Sesuai K Sufficient Sufficient Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  7 N Adequate Adequate Sesuai K Deficient Deficient Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  8 N Sufficient Sufficient Sesuai K Sufficient Sufficient Sesuai pH Alkaline Alkaline Sesuai

  9 N Deficient Deficient Sesuai K Sufficient Adequate Tidak Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  10 N Sufficient Adequate Tidak Sesuai K Sufficient Sufficient Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  11 N Depleted Depleted Sesuai

  Status Dengan No. Jenis Status Dengan Sensor dan Keterangan Sampel Hara Kimia Analisis Algoritma

  K Sufficient Sufficient Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  12 N Depleted Depleted Sesuai K Adequate Adequate Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  13 N Depleted Depleted Sesuai K Sufficient Sufficient Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  14 N Depleted Depleted Sesuai K Adequate Adequate Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  15 N Depleted Depleted Sesuai K Deficient Deficient Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  16 N Deficient Deficient Sesuai K Sufficient Sufficient Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  17 N Deficient Deficient Sesuai K Deficient Deficient Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  18 N Depleted Depleted Sesuai K Adequate Adequate Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  19 N Deficient Deficient Sesuai K Adequate Adequate Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  20 N Depleted Deficient Tidak Sesuai K Sufficient Sufficient Sesuai pH Neutral Neutral Sesuai

  Pada sampel 9, 10 dan 20 terdapat ketidaksesuaian pengukuran. Ini disebabkan oleh perubahan intensitas cahaya yang masuk ke dalam sensor dan bisa dipengaruhi oleh cahaya dari luar. Berdasarkan pengamatan, perbedaan pengukuran terjadi pada status yang memiliki level d yang berdekatan. Pada sampel 9, terjadi perbedaan kadar K. Secara kimia analisis kadar K sampel 9 dinyatakan Adequate, dan pembacaan sensor adalah Sufficient. Selisih nilai d antara Adequte dan Sufficient untuk K adalah d sufficient K = 12014.8265

• – d adequate K – 11191.6405

  = 823.186 Berdasarkan nilai d hasil pembacaan sensor yang telah dihitung selisihnya, sistem memutuskan jika status K sampel 9 adalah sufficient dikarenakan nilai selisih yang didapatkan untuk status sufficient lebih kecil dibanding status yang lain. Berdasarkan warna larutan, untuk status K adequate, warna larutan adalah

  

adequate dan untuk sufficient adalah suffcient . Jika dilihat, perbedaan kedua warna tersebut adalah

  sufficient lebih terang dibanding adequate, yang berarti sensor menerima intensitas cahaya yang lebih terang dari warna larutan yang diukur. Hal ini bisa disebabkan karena gangguan cahaya dari luar alat yang meningkatkan instensitas cahaya yang diterima sensor.

  Pada sampel 10, terjadi perbedaan kadar N. Secara kimia analisis kadar N sampel 10 dinyatakan Adequate, dan pembacaan sensor adalah Sufficient. Selisih nilai d antara Adequte dan Sufficient untuk N adalah d sufficient N = 15438.0488

• – d adequate N – 14978.6407

  = 459.4081 Berdasarkan nilai d hasil pembacaan sensor yang telah dihitung selisihnya, sistem memutuskan jika status N sampel 10 adalah sufficient dikarenakan nilai selisih yang didapatkan untuk status sufficient lebih kecil dibanding status yang lain. Berdasarkan warna larutan, untuk status N adequate, warna larutan adalah

  

adequate dan untuk sufficient adalah suffcient . Jika dilihat, perbedaan kedua warna tersebut adalah

  sufficient lebih gelap dibanding adequate, yang berarti sensor menerima intensitas cahaya yang lebih gelap dari warna larutan yang diukur. Hal ini bisa disebabkan oleh intensitas cahaya dalam alat lebih gelap dari biasanya dan menurunkan intensitas cahaya yang diterima sensor. Perpindahan posisi alat bisa mempengaruhi intensitas cahaya didalamnya.

  Pada sampel 20, terjadi perbedaan kadar N. Secara kimia analisis kadar N sampel 20 dinyatakan Defficient, dan pembacaan sensor adalah Depleted. Selisih nilai d antara Defficient dan Depleted untuk N adalah d defficient N = 14519.2326

• – d depleted N – 14059.8245

  = 459.4081 Berdasarkan nilai d hasil pembacaan sensor yang telah dihitung selisihnya, sistem memutuskan jika status N sampel 20 adalah depleted dikarenakan nilai selisih yang didapatkan untuk status depleted lebih kecil dibanding status yang lain. Berdasarkan warna larutan, untuk status N depleted, warna larutan adalah

  

adequate dan untuk defficient adalah suffcient . Jika dilihat, perbedaan kedua warna tersebut adalah depleted

  lebih gelap dibanding defficient, yang berarti sensor menerima intensitas cahaya yang lebih terang dari warna larutan yang diukur. Hal ini bisa disebabkan oleh intensitas cahaya dalam alat lebih terang dari biasanya dan menignkatkan intensitas cahaya yang diterima sensor. Perpindahan posisi alat bisa mempengaruhi intensitas cahaya didalamnya.

  Berdasarkan tabel diatas tingkat keakurasian pengujian data 1 sampai 20, maka rata rata akurasinya adalah seperti terlihat pada perhitungan dibawah ini. Tingkat Keakurasian Pengukuran N = Jumlah N sesuai / 20

  = 18 / 20 = 0,9  90 % Tingkat Keakurasian Pengukuran K = Jumlah K sesuai / 20

  = 19 / 20 = 0,95  95 % Tingkat Keakurasian Pengukuran pH = Jumlah pH sesuai / 20

  = 20 / 20 = 1  100 %

  4. Kesimpulan

  Berdasarkan hasil pengujian dan analisis sistem terhadap data yang didapatkan, dapat diambil suatu kesimpulan sebagai berikut:

  1. Secara keseluruhan, sistem berfungsi dengan baik dan dapat digunakan untuk mengukur dan merekam kadar hara tanah sawah dan mudah dalam pengoperasiannya.

  2. Sensor warna yang memiliki dimensi lebih kecil dan mudah didaptkan dapat menjadi alternatif sensor elektrokimia yang berdimensi besar dan sulit didapatkan dalam melakukan pengukuran kimia yang didasarkan pada intensitas warna.

  3. Sistem membuat keputusan tentang status kadar hara tanah menggunakan nilai yang dihasilkan oleh algoritma closest pair point dengan hasil pengujian yang didapatkan sebagai berikut: a.

  Persentase akurasi pengukuran kadar Nitrogen (N) adalah 90%.

  b.

  Persentase akurasi pengukuran kadar Kalium (K) adalah 95%.

  c.

  Persentase akurasi pengukuran pH adalah 100%.

  4. Website dapat diakses oleh semua kalangan yang membutuhkan informasi tentang keadaan kadar hara tanah yang disimpan dalam database.

  Referensi

  [1] Warsani, Henki. 2013. Kajian Pemanfaatan Lahan Sawah Di Kecamatan Kuantan Tengah Kabupaten Kuantan Singingi.Universitas Pendidikan Indonesia. (Online)

  [2] Hardjowogeno, Sarwono. Subagyo,H. Rayes, M.Luthfi. 2004. Tanah Sawah dan Teknologi Pengelolaannya. Pusat Penelitian dan Pengembangan Tanah Agroklimat (Puslitbangtanak). Bogor

  [3] Suganda, Husain. Rachman, Achmad. Sutono.2006.Sifat Fisik Tanah Dan Metode Analisisnya.Balai Besar Litbang Sumber Daya Lahan Pertanian.Departemen Pertanian

  [4] IGM.Subiksa. R.W, Ladiyani dan Setyorini, Diah. 2007. Perangkat uji tanah sawah.Balai Penelitian Tanah. Bogor. [5] Puslitbang tanah dan Agroklimat. 2005. Pemupukan berimbang dengan perangkat uji tanah sawah v.01.Badan Litbang Pertanian Departemen Pertanian.Bogor

  [6] Syam, Supriadi. Bernadus, Heryanto. Ali Said, Senri. 2014. Implementasi Algoritma Closest Pair Point Untuk Menentukan Warna hasil Smooth Menggunakan Sensor Warna.Prosiding Konferensi Nasional Ilmu Komputer (KONIK) 2014.