ABSTRAK
RANCANG BANGUN DAN UJI KINERJA SISTEM KONTROL OTOMATIS PADA IRIGASI TETES MENGGUNAKAN
MIKROKONTROLLER ARDUINO MEGA DAN KONEKSI WIRELESS ZIG-Bee
Oleh Hendrik Candra
Irigasi tetes biasanya diaplikasikan untuk menyediakan air dan larutan nutrisi bagi tanaman. Aplikasi sistem irigasi tetes saat ini dirasa tidak tepat karena pada umumnya pemberian air dilakukan berdasarkan waktu, tidak berdasarkan pada kebutuhan air tanaman. Penelitian ini bertujuan melakukan rancang bangun dan uji kinerja perangkat otomatis pada irigasi tetes menggunakan mikrokontroler Arduino Mega dan dikoneksikan dengan teknologi Zigbee. Alat berkerja berdasarkan kandungan air tanah, Pompa air akan hidup ketika kadar air tanah berada pada titik kritis dan mati ketika kandungan air tanah lebih tinggi dari kapasitas lapang. Alat juga dilengkapi dengan pembaca suhu dan kelembaban sebagai pendekteksi parameter lingkungan.
Kalibrasi dan validasi Sensor dilakukan dengan menggunakan tiga tekstur tanah yang berbeda yaitu lempung berdebu, pasir berlempung, dan lempung berpasir. Setiap sampel tanah dicampur kompos dengan perbandingan 5 : 1. Namun, Pengujian alat dilakukan dengan menggunakan tekstur tanah lempung berpasir. Kalibrasi sensor menunjukkan bahwa hubungan antara tegangan dan kadar air linear dengan R2 = 0, 88; 0,95; 0,96 masing-masing untuk lempung berdebu, pasir berlempung, dan lempung berpasir. Sementara itu, validasi menunjukkan bahwa
error yang terjadi 0,63%; 0,52%; 0,60% masing-masing untuk lempung berdebu, pasir berlempung, dan lempung berpasir. Hasil juga menunjukkan bahwa ternyata regresi linier (korelasi antara tegangan dan kadar air tanah) hanya berlaku untuk tekstur tanah tertentu. Oleh karena itu, perangkat ini tidak dapat digunakan untuk tekstur tanah umum. Validasi suhu dan kelembaban menunjukkan nilai error yang terjadi sebesar < 2 oC dan ± 10%. Nilai error pada sensor kelembaban tidak sesuai dengan apa yang diharapkan. Hasil pengujian menunjukkan bahwa perangkat otomatis bisa berfungsi dengan baik. Interval transmisi pengiriman data lebih baik dilakukan dalam satuan menit, bukan satuan detik.
ABSTRACT
DESIGN AND TEST PERFORMANCE AUTOMATIC CONTROL ON DRIP IRIGATION SYSTEM USING MICROCONTROLLER ARDUINO
MEGA AND WIRELESS ZIGBee CONNECTION By
Hendrik Candra
Drip irrigation has been applied to provide water and nutrient solution to plants. The application of drip irrigation system at this time is not precise yet generally because water is provided based on time schedule, not base on soil water content or plant requirement for water. This research aims to design and test the performance of an automatic device that control drip irrigation system automatically; using microcontroller Arduino Mega accomplished with Zigbee
technology connection. The device works based on soil water content. Water pump will be turned on when the soil moisture is less than critical water content, and will be turned off when the soil water content is higher than field capacity. the device is also equipped with temperature and humidity sensors as detection of environmental parameters.
Sensor calibration and validation were performed by using three different soil textures: silt loam, loamy sand, and sandy loam. Each soil sample was mixed with compost by ratio of 5: 1. The testing of the device; however, was done by using sandy loam soil texture. Sensor calibration showed that relationship between voltage and soil water content was linear with R2=0,88; 0,95; 0,96 respectively for silt loam, loamy sand, and sandy loam. While, validation showed that errors were 0,63%; 0,52%; 0,60% respectively for silt loam, loamy sand, and sandy loam. The results also indicated that linear regressions (correlation between voltage and soil water content) turned out to be applicable for specific Soil Texture. Therefore, this device may not be used for general soil textures. Validation of temperature and humidity showed an error that occurred in of <2 °C and ± 10%. The error value on humidity sensor is not as expected. The result of the test showed that the automatic device could work properly. Interval of data transmission was properly done per minute rather than per second.
RANCANG BANGUN DAN UJI KINERJA SISTEM KONTROL
OTOMATIS PADA IRIGASI TETES MENGGUNAKAN
MIKROKONTROLLER ARDUINO MEGA DAN KONEKSI
WIRELLES ZIGbee
Oleh
Hendrik Candra
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN
Pada
Jurusan Teknik Pertanian
Fakultas Pertanian Universitas Lampung
FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS LAMPUNG
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Liwa 06 Februari 1993, sebagai
putra bungsu dari pasangan bahagia Bapak Syafrichan
dan Ibu Nurhayati.
Pendidikan Taman Kanak-Kanak Nurul Islam
diselesaikan tahun 2003, Sekolah Dasar Negeri 01 Liwa
diselesaikan tahun 2005, Sekolah Menengah Pertama
Negeri 01 Liwa diselesaikan pada tahun 2008 dan Sekolah Menengah Atas Negeri
01 Liwa diselesaikan pada tahun 2011.
Tahun 2011, Penulis terdaftar sebagai mahasiswa jurusan Teknik Pertanian
Fakultas Pertanian, Universitas Lampung melalui jalur Undangan. Penulis juga
terdaftar sebagai penerima dana bantuan beasiswa Bidik Misi angkatan 2011.
Semasa kuliah penulis pernah menjadi Asisten Dosen untuk Mata Kuliah
Mekanisasi Pertanian, Alat Dan Mesin Pertanian, dan Teknik Hidroponik. Penulis
juga aktif dalam organisasi PIK-M RAYA Universitas Lampung dan
Perhimpunan Mahasiswa Teknik Pertanian (PERMATEP) juga pernah menjabat
sebagai Kepala Bidang Penelitian dan Pengembangan (LIT-BANG) serta Kepala
Teruntuk kedua orang tuaku tercinta
Syafrichan dan Nurhayati
Ku persembahkan karya kecilku ini untuk Menciptakan
senyuman indah dari Ayah dan Ibuku serta rasa bangga
keluargaku
Terima kasih telah memberikanku arti yang
sesungguhnya tentang makna hidup meskipun keras
kurasakan, pedih namun tetap kunikmati, sedih namun penuh
arti . Sebuah proses menuju pendewasaan diri yang semua
orang belum tentu mendapatkannya.
Serta
Almamater tercinta
MOTO
Happy people is not a great man in every way, but one that can find
simple things in life and give thanks diligent
(Belajar Inggris)
Setiap langkah yang kita ambil merupakan pilihan hidup, namun
pilihan hidup mana yang akan kita pilih
(Pelajaran surah asy-syams 1 ; 15)
SELAYANG PANDANG
Segala jalan penuh dengan cobaan. Segala rintangan memiliki
makna yang tersembunyi. Dalam sebuah kisah terdapat
tanda-tanda kebesaran dan keagungan tuhan yang semakin hari kian
semakin jelas. Didalam sebuah ayat dinyatakan bahwa
sesungguhnya manusia diciptakan dalam keadaan susah payah.
Inti dari segalanya adalah untuk menunjukkan bahwa manusia
harus berusaha lebih keras. Kehidupan bagaikan sebuah pendakian
gunung yang memiliki jalan licin, curam, dan terjal. Tetapi memiliki
arti yang luas ketika berada di puncak untuk menyaksikan
keindahan dan keagungannya. Atau kehidupan juga dapat
diartikan sebagai air yang mengalir. Terkadanga deras, terkadang
lambat. melawati jalan yang sempit hingga akhirnya tiba dalam
sebuah tempat yang besar. Begitu pula dengan menuntut ilmu.
Seperti pendakian sebuah gunung ataupun air mengalir. Hingga
pada saatnya, diwaktu yang tepat pengetahuan akan berkumpul
untuk menghadirkan sebuah keindahan didalam mewarnai roda
kehidupan selanjutnya. Terima kasih untuk segalanya.
Teknik Pertanian dan TEP 2011
SANWACANA
Puji syukur penulis ucapkan kehadirat allah S.W.T. karena atas rahmat, hidayah,
dan karunia-Nya skripsi ini dapat diselesaikan.
Skripsi dengan judul “Rancang Bangun dan Uji Kinerja Sistem Kontrol Otomatis
Pada Irigasi Tetes Menggunakan Mikrokontroller Arduino Mega dan Koneksi
Wireless Zigbee” merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana
Teknik Pertanian di Universitas Lampung.
Dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Bapak Prof. Dr. Ir. Wan Abbas Zakaria, M.S. selaku Dekan Fakultas
Pertanian Universitas Lampung;
2. Bapak Dr, Ir. Agus Haryanto M. P., selaku Ketua Jurusan Teknik Pertanian;
3. Bapak Dr. Ir. Sugeng Triyono M. Sc., selaku Pembimbing Utama atas
ketersediannya untuk memberikan bimbingan, saran dan kritik dalam proses
penyelesaian skripsi ini;
4. Bapak Ir. M. Zen Kadir M. T., selaku Pembimbing Kedua atas ketersediannya
untuk memberikan bimbingan, saran dan kritik dalam proses penyelesaian
skripsi ini;
5. Bapak Ahmad Tusi, S. TP., M. Si., selaku Penguji Utama pada ujian skripsi
6. Seluruh Dosen dan Karyawan Teknik Pertanian Universitas Lampung;
7. Teman-teman Teknik Pertanian 2011 dan Teknik Elektro.
Akhir kata penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kesempurnaan,
akan tetapi penulis berharap semoga skripsi ini dapat berguna dan bermanfaat bagi
kita semua.
Bandar lampung,
Penulis
DAFTAR ISI
Halaman
DAFTAR TABEL ... vii
DAFTAR GAMBAR ... viii
I. PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Tujuan Penelitian... 4
1.3 Manfaat Penelitian... 5
1.4 Batasan Masalah ... 5
II. TINJAUAN PUSTAKA ... 6
2.1 Kotrol Otomatis ... 6
2.2 Mikrokontroler ... 6
2.3 Irigasi ... 9
2.3.1 Irigasi Tetes ... 11
2.3.2 Hidrolika Irigasi Tetes ... 11
2.3.3 Keuntungan Irigasi Tetes ... 12
2.3.4 Karakteristik Aliran ... 14
2.3.5 Hidrolika Penetes ... 15
2.4 Sifat Fisik Tanah ... 16
2.4.1 Kerapatan Isi Tanah (Bulk Density) ... 16
2.4.2Tekstur Tanah ... 16
2.4.3Kadar Air Tanah ... 17
2.6 Sensor ... 20
2.6.1. Sensor Suhu LM35 ... 20
2.6.2. Sensor Kadar Air Tanah ... 21
2.6.3. Sensor Kelembaban ... 22
2.7 Wireless ZIG Bee ... 23
III. METODE PENELITIAN ... 26
3.1 Waktu dan Tempat ... 26
3.2 Alat dan Bahan ... 26
3.3 Pelaksanaan Penelitian... 27
3.4 Perancangan Alat Kontrol... 28
3.5 Kriteria Desain ... 28
3.6 Desain Struktural ... 29
3.7 Desain Fungsional ... 32
3.7.1 Spesifikasi Alat ... 36
3.7.2 Diagram Blok ... 37
3.8 Kalibrasi Sensor Kadar Air Tanah ... 39
3.9 Validasi Sensor Kadar Air, Suhu, Kelembaban ... 41
3.10 Pengujian Alat Kontrol dan Pemberian Aksi (aktuator) ... 41
3.11 Pengujian Pengiriman Data ... 42
3.12 Uji Coba Alat Kontrol Pada Tanaman Paprika Menggunakan Jenis Tanah Lempung Berdebu (Silt Clay) ... 43
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN... 44
4.1 Perancangan Alat Kontrol ... 44
4.1.1Desain Struktural ... 44
4.1.2Desain Fungsional ... 47
4.2 Kalibrasi Sensor Kadar Air Tanah ... 49
4.3 Validasi Sensor Kadar Air, Suhu, Kelembaban ... 54
4.4 Pengujian Alat Kontrol dan Pemberian Aksi (Aktuator) ... 66
4.4.2Suhu dan Sistem Blower ... 70
4.2.3.Kelembaban dan Sistem Sprinkler ... 72
4.5 Pengujian Pengiriman Data ... 75
4.6 Uji Coba Alat Kontrol Pada Tanaman Paprika ... 78
V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 82
5.1 Kesimpulan ... 82
5.2 SARAN ... 83
DAFTAR PUSTAKA ... 83
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
1. Hubungan Tanah dengan Kadar Air Tersedia ... 18
2. Spesifikasi Soil Moisture Sensor ... 22
3. Spesifikasi XBee ... 25
4. Kalibrasi Kadar Air Tanah Lempung Berpasir ( Silt Clay). ... 87
5. Kalibrasi Kadar Air Tanah Lempung Berdebu ( Silt Loam)... 88
6. Kalibrasi Kadar Air Tanah Pasir Berlempung( Loamy Sand). ... 88
7. Pengukuran Suhu dalam Ruang ... 89
DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman
1. Papan Mikrokontroller Arduino Mega ... 7
2. PDIP Atmega 2560 ... 7
3. Konfigurasi Pin Arduino Mega ... 8
4. Pin dan Typical Aplikasi Sensor LM35 ... 21
5. Sensor Soil Moisture ... 22
6. Sensor Kelembaban DHT 11 ... 23
7. Ilistrasi Prinsip Kerja Modul Xbee ... 24
8. Modul Xbee ... 24
9. Flowchart Pelaksanaan Penelitian ... 28
10. Rangkaian Mikrokontroller ... 30
11. Diagram Perancangan Pemantauan, dan Pengendalian dalam greenhouse ... 31
12. FlowchartDesain Rancangan Fungsional ... 32
13. Jendela Pemprograman Arduino ... 34
14. Jendela Front Panel pada LabVIEW ... 35
15. Jendela Blok Diagram LabView ... 36
16. Pengendalian Suhu dan Kelembaban Pada Alat ... 37
17. Pengendalian Kadar Air dan Aplikasi Irigasi Tetes ... 38
18. Rancangan Sistem Pemantauan dan Pengendalian ... 38
20. Tampilan Alat yang Dirancang ... 45
21. Rangkaian Mikrokontroller yang dirancang. ... 46
22. Simulasi Dengan menggunakan Program Proteus 7 dan Aplikasinya. ... 48
23. Pemrograman pada Sistem Arduino... 49
24. Hubungan Voltase dan Kadar Air Tanah Lempung Berdebu (Silt Loam) ... 51
25. Hubungan Voltase dan Kadar Air Tanah Pasir Berlempung (Loamy Sand) ... 51
26. Hubungan Voltase dan Kadar Air Tanah Lempung Berpasir (Silt Clay) .. 52
27. Hubungan Voltase dan Kadar Air Tanah dari Tiga Jenis Tanah ( Lempung Berdebu, Pasir Berlempung, Lempung Berpasir) ... 53
28. Perbandingan antara Pengukuran Lab dan Pembacaan Sensor Kadar Air Tanah Lempung Berdebu (Sitl Loam) ... 55
29. Perbandingan Pembacaan Kadar Air Tanah Pasir Berlempung (Loamy Sand) ... 56
30. Perbandingan Pembacaan Kadar Air Tanah Lempung Berpasir (Silt Clay) ... 57
31. Pembacaan Kadar Air Tanah Lempung Berdebu (Sitl Loam) dengan Nilai Regresi Y = -94,982 X + 48,552 ... 58
32. Pembacaan Kadar Air Tanah Pasir Berlempung (Loamy Sand) dengan Nilai Regresi Y = -94,982 X + 48,552 ... 58
33. Pembacaan Kadar Air Tanah Lempung Berpasir (Silt Clay) dengan Nilai Regresi Y = -94,982 X + 48,552 ... 59
34. Pengujian Suhu dan Kelembaban... 61
35. Perbandingan Suhu Alat dengan Pembacaan Sensor dalam Ruang ... 62
37. Perbandingan Nilai Pembacaan Kelembaban Alat dengan Sensor dalam
Ruang ... 64
38. Perbandingan Pembacaan Alat dengan Sensor Kelembaban saat diaplikasikan. ... 65
39. Pembacaan Kadar Air Tanah dan Pemberian Aksi ... 68
40. Pembacaan Kadar Air Tanah dan Pemberian Aksi hari ke 21 ... 69
41. Pengamatan Suhu Pembacaan pada Alat dan Pemberian Aksi ... 70
42. Pengamatan Suhu dan Pemberian Aksi Hari ke 21. ... 71
43. Pembacaan Kelembaban pada Alat dan Pemberian Aksi. ... 73
44. Pembacaan Kelembaban pada Alat dan Pemberian Aksi hari ke 21. ... 74
45. Tampilan Pada Layar Monitor. ... 75
46. Pengiriman Data Satuan Detik (5000 ms) ... 76
47. Pengiriman Data Satuan Menit (60000 ms) ... 77
48. Pertumbuhan Awal Tanaman Paprika. ... 78
49. Proses Pembungaan pada tanaman Paprika ... 79
50. Grafik Pemberian Air Irigasi dan Waktu Irigasi ... 80
51. Hasil Kinerja Alat Terhadap Pertumbuhan Tanaman Paprika ... 81
52. Hasil Buah Tanaman Paprika ... 81
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pertanian merupakan salah satu sektor yang dapat mendukung nilai pendapatan.
Produk hasil pertanian mampu menyumbangkan sebagian besar nilai pendapatan
yang dihasilkan dari produk perkebunan, dan hortikultura. Menurut data
Kementrian Pertanian (2013), produk pertanian mampu menyumbang sekitar 20%
dari nilai keseluruhan pendapatan Negara. Kenaikan hasil pendapatan tersebut
dapat terjadi karena didukung oleh kegiatan budidaya yang sangat memadai.
Didalam kegiatan budidaya pertanaian, produk pertanian sangat dipengaruhi oleh
keadaan iklim, cuaca, dan lingkungan sekitar. Artinya, untuk meningkatkan
kualitas serta kuantitas dari produk pertanian sangat dipengaruhi oleh faktor
lingkungan yang optimum.
Faktor lingkungan yang sangat berpengaruh terhadap pertumbuhan di dalam
greenhouse diantaranya temperatur, kelembaban udara, intesitas cahaya, serta peranan media tanam yang digunakan. Menurut Jones dalam Suhardiyanto dkk,
(2006). Temperatur pada area perakaran merupakan zona terpenting yang dapat
mempengaruhi penyerapan air serta ion-ion esensial. Temperatur yang optimum
2
pertumbuhan akar perlu dikontrol agar sesuai dengan kebutuhan yang diharapkan.
Pengaturan temperatur zona perakaran dapat dilakukan dengan menggunakan
suatu sistem pengairan yang tepat. Salah satunya adalah sistem irigasi tetes (drip irrigation).
Irigasi tetes merupakan salah satu jenis irigasi mikro yaitu jenis irigasi
yangmenggunakan air secara efisien dan berkerja secara pasti. Irigasi tetes
merupakan teknologi maju dalam bidang irigasi mikro yang berkerja secara
efisien guna meningkatkan produksi serta mutu hasil pertanian/perkebunan
(Wardi, 2013). Irigasi tetes pada umumnya digunakan untuk tanaman yang
bernilai ekonomi tinggi dan dibutuhkan pasar. Aplikasi sistem irigasi tetes dirasa
mampu memberikan nilai efisiensi yang tinggi dalam penggunaan air dan juga
hasil produksi. Namun, dalam penerapan dan aplikasinya, sistem irigasi tetes ini
masih mengalami beberapa kendala seperti penggunaan air yang pas dan juga
jadual penyiraman yang tepat dan sesuai dengan kebutuhan tanaman. Untuk
mengatur pendistribusian dan pengendalian parameter lingkungan maka
diperlukan suatu sistem otomatisasi.
Kontrol otomatis adalah suatu rangkaian alat yang digunakan di dalam
perkembangan dan kemajuan teknologi yang lebih canggih dan modern.
Perkembangan kontrol otomatis saat ini lebih difokuskan untuk mempermudah
akses dan kerja yang dilakukan oleh manusia. Kontrol otomatis memainkan
peranan penting dalam sains dan rekayasa modern. Salah satu perkembangan
3
menggunakan prinsip mikrokomputer sebagai otak dari pemprograman atau sering
disebut sebagai mikrokontroler.
Mikrokontroler adalah salah satu bagian dari sistem komputer. mikrokontroler
dibangun dari elemen-elemen dasar yang sama. Secara sederhana komputer akan
menghasilkan output spesifik dari input yang diterima dan program yang dikerjakan (Mello, 2013). Mikrokontroler mengerjakan instruksi-intruksi yang
diberikan kepadanya yang artinya mikrokontroler merupakan bagian terpenting
dan utama dari suatu sistem komputer. Program ini menginstruksikan komputer
untuk melakukan jalinan yang panjang dari aksi-aksi sederhana untuk melakukan
tugas yang lebih kompleks dan diinginkan oleh programmer.
Aplikasi mikrokontroler untuk penjadwalan pemberian irigasi tentu menjadi hal
yang sangat bermanfaat untuk dilakukan. Irigasi tetes dengan menggunakan
pompa bertekanan rendah tentu mampu diaplikasikan dengan otomatisasi dari
sensor-sensor pada mikrokontroler tersebut. Penjadwalan irigasi secara otomatis
ini sangat mendukung dikala cuaca yang susah diprediksi akhir-akhir ini akibat
adanya perubahan iklim global dan perubahan pola hujan, sehingga meningkatkan
ketidakpastian ketersediaan air (Arriska, 2013).
Pengaplikasi mikrokontroler dalam melakukan penjadualan pemberian air irigasi
sebenarnya telah banyak dilakukan. Dalam penelitian Delya (2014),
mikrokontroler digunakan untuk pemberian air irgasi pada sistem hidroponik
pasang surut untuk kebutuhan tanaman cabai. Selain itu, pemberian air irigasi
tetes dengan menggunakan prinsip mikrokontroler juga telah dilakukan oleh
4
perubahan kadar air tanah yang terjadi. Ditambah lagi dengan sistem akusisi data
yang memungkinkan mempermudah pengguna dalam melakukan monitoring
lingkungan pertumbuhan tanaman (Heidi, 2014). Namun, aplikasi irigasi sistem
yang dilakukan belum maksimal. Untuk itu diperlukan suatu pemantauan tanaman
secara jarak jauh dan pemberian aksi yang memungkinkan melakukan
pengendalian terhadap parameter lingkungan pertumbuhan tanaman guna
meningkatkan produktivitas.
Kontrol otomatis juga dapat mengurangi rutinitas kerja dalam mengairi tanaman
yang selalu dilakukan operator pada umumnya. Hasil dari pengembangan
teknologi mikrokontroler tersebut sangat tepat jika diterapkan dalam otomatisasi
irigasi yang saat ini belum banyak dikenal dan diaplikasikan. Selain untuk
menunjang kegiatan irigasi tanaman yang lebih terkendali dan akurat, otomatisasi
irigasi juga dapat dijadikan sebagai sarana menuju irigasi teknis yang lebih maju
(modern). Irigasi tetes dinilai lebih hemat air dengan efisiensi penggunaan air irigasi paling tinggi dibandingkan sistem irigasi yang lainnya.
1.2 Tujuan Penelitian
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Melakukan rancang bangun dan uji kinerja sistem kontrol otomatis terhadap
sensor suhu, sensor kelembaban, dan sensor kadar air tanah.
2. Melakukan kalibrasi dan validasi sensor suhu, sensor kelembaban, dan
sensor kadar air tanah dari alat yang dibuat.
5
1.3 Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai penunjang kemajuan teknologi
otomatisasi pengendalian lingkungan pertumbuhan tanaman dan irigasi teknis
yang maju (modern) serta bahan refrensi ilmiah bagi masyarakat.
1.4 Batasan Masalah
Batasan masalah yang terjadi dalam penelitian ini adalah:
1. Pengkajian pemberian air irigasi dan komponen pengendali ingkungan
dilakukan berdasarkan perubahan kadar air tanah dan perubahan parameter
lingkungan.
2. Identifikasi masalah yang terjadi pada penelitian ini adalah dimana
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kotrol Otomatis
Kontrol otomatis memainkan peranan penting dalam sains dan rekayasa modern.
Selain untuk keperluan khusus seperti space-vehicle system, missile-guidance system, robotic system, kontrol otomatis telah menjadi bagian internal yang penting dalam proses manufaktur modern dan proses industri. Kontrol otomatis
merupakan esensi dalam numerical control mesin-mesin presisi pada proses industry manufacture. Selain dapat dikembangkan dalam proses perindustrian,
kontrol otomatis juga dapat diaplikasikan sebagai pengatur tekanan, temperature,
kelembaban, viskositas, dan aliran dalam proses industri (Anonim,2010).
2.2 Mikrokontroler
Mikrokontroler Arduino merupakan sebuah piranti yang dapat dimanfaatkan
untuk merancang atau membuat suatu proses rangkaian elektronik mulai dari yang
paling sederhana hingga yang kompleks. Menurut Kadir (2013), Arduino
merupakan salah satu piranti elektronik yang secara fungsional berkerja seperti
sebuah Komputer. Arduino memiliki sejumlah pin yang dapat digunakan sebagai
isyarat digital yang hanya bernilai 0 atau 1. Penggunaan mikrokontroler sudah
7
microwave oven, televisi, dan lain-lain. Mikrokontroler juga dapat digunakan untuk berbagai aplikasi dalam industri seperti: sistem kendali, otomasi, dan
lain-lain.
Gambar 1. Papan Mikrokontroller Arduino Mega
8
Adapun spesifikasi Arduino Mega adalah sebagai berikut:
1. Daya
Arduino Mega dapat diaktifkan melalui koneksi USB atau dengan catu daya
eksternal (otomatis). Kisaran kebutuhan daya yang disarankan untuk board Mega adalah 7 sampai dengan 12 volt, jika diberi daya kurang dari 7 volt kemungkinan
pin 5V dapat beroperasi tetapi tidak stabil kemudian jika diberi daya lebih dari
12V, regulator tegangan bisa panas dan dapat merusak board Arduino.
2. Memori
ATmega 2560 memiliki 256 KB (dengan 8 KB digunakan untuk bootloader), 8KB
dari SRAM dan 4 KB EEPROM.
3. Input dan Output
Konfigurasi pin pada arduino Mega dapat dilihat pada Gambar 3. dibawah ini:
9
Masing-masing dari 32 pin digital digunakan sebagai input atau output, 11 pin digunakan sebagai keluaran PWM, 10 pin digunakan sebagai komunikasi, dan16
pin digunakan sebagai input analog.
4. Komunikasi
Arduino Mega memiliki sejumlah fasilitas untuk berkomunikasi dengan
komputer, Arduino lain, atau mikrokontroler lainnya. ATmega 2560 menyediakan
UART TTL (5V) untuk komunikasi serial, yang tersedia di pin digital 0 (RX) dan
1 (TX). Sebuah ATmega 8 U2 sebagai saluran komunikasi serial melalui USB dan
sebagai port virtual com untuk perangkat lunak pada komputer. Firmware U2 menggunakan driver USB standar COM, dan tidak ada driver eksternal yang diperlukan. Namun, pada Windows diperlukan, sebuah file inf. Perangkat lunak Arduino terdapat monitor serial yang memungkinkan digunakan memonitor data
tekstual sederhana yang akan dikirim ke atau dari board Arduino. LED RX dan
TX di papan arduinoakan berkedip ketika data sedang dikirim melalui chip
USB-to-serial dengan koneksi USB ke komputer (tetapi tidak untuk komunikasi serial
pada pin 0 dan 1).
2.3 Irigasi
Irigasi merupakan usaha penambahan air pada saat cadangan air di dalam tanah
tidak mencukupi. Manfaat dari tersedianya air irigasi antara lain adalah untuk :
1. Membasahi tanah dengan maksud air dapat di absorpsi oleh susunan akar
tanaman, sehingga kebutuhan tanaman akan air untuk keperluan
10
2. Memelihara kelembaban tanah dan udara, yaitu menciptakan lingkungan
yang sesuai bagi pertumbuhan tanaman.
3. Mempermudah pekerjaan pengolahan tanah.
4. Membantu usaha pencucian zat-zat di dalam tanah yang tidak
dikehendaki.
5. Membantu proses pemupukan.
6. Mencegah pertumbuhan gulma.
Stern (1979) membedakan irigasi berdasarkan tenaga atau gaya yang digunakan
untuk mengalirkan air irigasi, yaitu :
1. Irigasi gravitasi, air diberikan menurut beda ketinggian tempat, sehingga
air akan mengalir karena gaya gravitasi.
2. Irigasi pompa, air diberikan dengan menggunakan tenaga pompa.
Irigasi dapat pula dibedakan berdasarkan cara pemberiannya, yaitu :
1. Irigasi permukaan (surface irrigation).
2. Irigasi bawah tanah (sub-surface irrigation).
3. Irigasi curah (overhead/sprinkler irrigation).
Khususnya untuk metode irigasi permukaan dapat dibedakan berdasarkan
pemberian dan pembagian air pada petak-petak pertanaman, yaitu :
1. Irigasi secara penggenangan.
2. Irigasi diantara petak atau bedengan.
11
2.3.1 Irigasi Tetes
Irigasi tetes merupakan salah satu jenis irigasi mikro yaitu jenis irigasi
yangmenggunakan air secara efisien dan berkerja secara pasti. Irigasi tetes
merupakan teknologi maju dalam bidang irigasi mikro yang berkerja secara
efisien guna meningkatkan produksi serta mutu hasil pertanian/perkebunan.
Berdasarkan jenisnya irigasi tetes dibedakan menjadi dua jenis yaitu drippers dan
Ro-drip (Wardi,2001).
Jenis drippers cara kerjanya adalah menyiram tanaman secara individu. Pada satu
tanaman diaplikasikan satu buah emitter atau lebih tergantung jenis dari tanaman
yang akan dialiri dan ukuran dripper yang diaplikasikan. Jenis ini biasanya
diaplikasikan pada tanaman hidroponik atau pada tanaman buah. Sedangkan Ro-drip merupkan jenis teknologi irigasi tetes yang menggunakan alat berbentuk pipa pipih (Seperti Pita) yang terbuat dari polyethilen. Sistem irigasi ini menggunakan emiter yang menjadi satu pada pipa distribusi dan dipasang dengan jarak tertentu.
Sistem ini dinilai sangatsesuai untuk digunakan pada tanah-tanah yang tidak dapat
menahan air dan memiliki penguapan tinggi seperti pada daerah dataran rendah
(Kasiran, 2010).
2.3.2 Hidrolika Irigasi Tetes
Irigasi tetes adalah metode pemberian air irigasi yang mampu memberikan
efisiensi yang tinggi dalam penggunaan air dan juga hasil produksi yang tinggi.
Irigasi tetes umumnya digunakan untuk tanaman sayuran (hortikultura). Pada
12
menggunakan satu emitter dan dua emitter pada penyebaran air dan hasil produksi
tanaman, menunjukkan hasil bahwa irigasi dengan menggunakan dua buah emitter
memberikan hasil tanaman yang lebih tinggi dan daun yang lebih banyak daripada
menggunakan satu buah emitter. Pada umumnya, irigasi yang berkelanjutan
(continous) memberikan dampak yang lebih baik dibandingkan irigasi secara terputus-putus (Sapei, 2003).
Pada metode irigasi tetes air dialirkan melalui suatu jaringan pipa, yang biasanya
terdiri dari pipa utama, sub-utama dan pipa lateral, untuk selanjutnya dikeluarkan
melalui penetes ke daerah perakaran tanaman. Aliran air dalam pipa-pipa tersebut
akan menimbulkan gaya yang bekerja pada dinding pipa sebelah dalam. Gaya
tersebut terdiri dari: (1) gaya statis, yang selalu terdapat pada dinding pipa
meskipun air tidak mengalir, dan (2) tegangan geser, yaitu gaya yang ditimbulkan
oleh gerakan air sebagai akibat dari energi kinetis. Tegangan geser yang bekerja
pada dinding pipa menimbulkan gesekan pada permukaan itu. Selama mengalir di
dalam pipa, aliran akan kehilangan tekanan sama besar dengan yang digunakan
untuk mengatasi gesekan tersebut. Perhitungan tekanan yang hilang akibat
gesekan sangat ditentukan oleh karakteristik aliran sepanjang pipa (Sumarna,
1998).
2.3.3 Keuntungan Irigasi Tetes
Keuntungan menggunakan teknologi irigasi tetes dibandingkan dengan
penyiraman tanaman secara manual (menggunakan selang atau gembor), antara
13
1. Peralatan yang digunakan (khususnya pipa distribusi) sudah teruji tahan
lama, tahan terhadap segala cuaca, bahan kimia, tekanan dari dalam dan
dari luar, dan anti karat karena terbuat dari polyethylen.
2. Dapat bekerja pada tekanan rendah, artinya tidak memerlukan tenaga
mesin pompa yang besar.
3. Sangat efisien dalam penggunaan air, karena air dialirkan ke tanaman
tetes demi tetes dan dapat diatur sesuai kebutuhan tanaman dan dapat
diusahakan menuju otomatiasis irigasi.
4. Dapat mencegah kehilangan pupuk pada zona perakaran karena tercuci
(Leaching).
5. Dapat mengurangi resiko kerusakan tanaman akibat penyiraman, seperti
tanaman roboh/patah karena tertimpa slang, dan sebagainya.
6. Kegiatan budidaya tidak lagi tergantung pada musim, lahan dapat
ditanami sepanjang tahun sehingga indek penanaman meningkat.
7. Dapat menekan pengunaan dan biaya tenaga kerja (Kasiran, 2006).
Efisiensi pemakaian air dengan sistem irigasi tetes pada pertanaman sayuran dapat
mencapai antara 90-100 persen bila dilaksanakan dengan cermat, terampil dan
beraturan (Sumarna, 1998). Penelitian lainnya tentang irigasi tetes juga telah
dilakukan dengan menggunakan emitter jenis line sources berupa kain polyester
dan menunjukkan hasil yang cukup tinggi, yaitu dengan nilai keseragaman
14
2.3.4 Karakteristik Aliran
Aliran stationer dari fluida inkompresible pada dasarnya terbagi dalam dua
karakteristik aliran, yaitu aliran laminar dan turbulen. Aliran laminar dimana
bagian-bagian elementer dari cairan bergerak teratur mengikuti garis-garis
kontinyu dan menempati tempat yang relatif sama pada penampang-penampang
yang beraturan, sedangkan pada aliran turbulen elementer dari cairan tersebut
bergerak tidak teratur dan menempati tempat yang berlainan pada penampang
berikutnya.
Untuk menentukan suatu aliran laminar atau turbulen, Osborne Reynolds
memperkenalkan bilangan tidak berdimensi yang merupakan fungsi dari
kecepatan aliran, diameter saluran, massa jenis cairan dan viksositasnya. Pada
pipa silinder persamaan bilangan Reynold (Re) berbentuk :
Re = atau Re = ……….(1)
Keterangan:
V = kecepatan aliran (m/det)
D = diameter dalam pipa (mm)
P = kerapatan cairan (kg/m3) μ = kekentalan dinamis (kg/det m)
v = viskositas kinetik (m2/det)
Hasil percobaan pada sistem irigasi tetes, ternyata selama penggunaan debit air
yang rendah, maka karakteristik aliran dalam jaringan pipa saluran utama,
15
2.3.5 Hidrolika Penetes
Fungsi penetes sangat penting dalam suatu sistem irigasi tetes. Air dikeluarkan
melalui penetes dalam debit air yang rendah secara konstan dan kontinu, kondisi
ini tergantung pada tekanan dalam pipa untuk menghasilkan debit air yang
diinginkan. Karakteristik dari penetes akan menunjukkan debit air yang dapat
melewati penetes tersebut. Biasanya debit dari penetes dapat ditentukan melalui
persamaan empiris yang merupakan fungsi dari tekakan operasi dikenal dengan
“fungsi aliran penetes”.
Q = Ke.Hx ………...(2) Dimana :
Q = debit dari penetes (mm3/det)
Ke = keofisien penetes
H = tinggi tekanan pada ruas pipa (mm)
X = eksponen debit air pada penetes yang ditentukan oleh karakteristik aliran.
Efisiensi sistem irigasi tetes secara langsung tergantung pada air yang dikeluarkan
dari penetes dalam keseluruhan sistem. Dewasa ini banyak dipasarkan penetes
dengan tipe yang bermacam-macam. Setiap jenis penetes mempunyai desain dan
karakteristik tertentu. Dalam hal ini variasi pembuatan penetes tidak dapat
diabaikan, karena berpengaruh terhadap keseragaman emisi irigasi tetes untuk
mencapai tujuan efisiensi.
Penetes yang diharapkan untuk irigasi tetes harus mempunyai persyaratan sebagai
16
1. Menghasilkan debit yang rendah, seragam dan konstan untuk setiap kerja
tekanan.
2. Mempunyai lubang pengeluaran yang cukup besar untuk mecegah
penyumbatan benda-benda asing atau endapan bahan kimia.
3. Harganya murah, kuat dan seragam.
Menurut Sumarna (1998) untuk irigasi dengan tekanan yang rendah penetes tipe
stick menghasilkan tingkat keseragaman emisi yang tinggi.
2.4 Sifat Fisik Tanah
2.4.1 Kerapatan Isi Tanah (Bulk Density)
Kerapatan isi tanah atau bobot volume tanah (bulk density) adalah nisbah antara massa total tanah dalam keadaan kering (Mtk) dengan volume total tanah dalam
keadan kering (Vtk) atau dapat ditulis :
ρb= ………...(3)
Keterangan:
ρb : Bulk Density
Mtk :Massa Total Tanah Dalam Keadaan Kering
Vtk : Volume Total Tanah Dalam Keadaan Kering
2.4.2 Tekstur Tanah
Tekstur tanah adalah bagian padatan tanah yang terdiri dari bahan anorganik dan
organik tanah. Berdasarkan ukurannya, bahan padatan digolongkan menjadi tiga
yaitu, pasir, debu dan liat. Pembagian itu kemudian disederhanakan lagi menjadi
17
lempung liat berpasir, lempung liat berdebu, liat berpasir, liat bedebu dan liat
berat. Tanah berpasir yaitu tanah yang memiliki kandungan pasir > 70%,
porositasnya rendah < 40%, sebagian besar ruang pori berukuran besar sehingga
memiliki aerasi yang baik dan memiliki zat hara yang rendah. Tanah bertekstur
liat jika memiliki kandungan litany > 35%, porositasnya relatif tinggi 60%,
sehingga memilki daya hantar air sangat lambat dan sirkulasi udara yang kurang
lancar (Islami, 1995). Kemampuan tanah untuk menahan air yang terlalu besar
mengakibatkan aerasi kurang, sehingga pertumbuhan tanaman akan terhambat.
Oleh karena itu, jika air dalam media terlalu banyak justru menghambat
pertumbuhan. Menurut hasil penelitian yang telah dilakukan, komposisi media
tanam menunjukkan pengaruh yang sangat nyata pada tinggi tanaman, jumlah
daun, indeks luas daun, bobot basah, bobot kering serta pada panjang akar.
2.4.3 Kadar Air Tanah
Didalam tanah, air berada pada ruang pori tanah (baik organik atau anorganik)
yang terikat pada padatan tanah. Untuk mengetahui keadaan air tanah dalam
hubungannya dengan pertumbuhan tanaman, maka perlu ditetapkan kadar air
tanah dalam keadaan : (1) kadar air total, (2) kapasitas lapang, dan (3) titik layu
permanent. Kadar air tanah total adalah kadar air tanah yang diperoleh dengan
pengeringan tanah kering udara di dalam oven pada suhu 105 oC hingga bobotnya
tetap. Kadar air tanah dapat dinyatakan dalam persen berat tanah dan dalam
bentuk persen volume tanah. Kadar air tanah dalam kapasitas lapang adalah
jumlah air yang ditahan oleh tanah setelah kelebihan air gravitasi meresap
18
kandungan air tanah pada saat tanaman yang ditanam mengalami layu permanen
dan sukar dikembalikan. James (1998) mengemukakan nilai kapasitas titik layu
permanen pada beberapa kelas tekstur tanah seperti disajikan dalam Tabel berikut
ini.
Tabel 1. Hubungan Tanah dengan Kadar Air Tersedia
Tekstur Tanah FC
Kadar air tanah gravimetrik dapat ditentukan dengan persamaan :
……….………(4)
Penetapan kadar air tanah volumetrik dapat menentukan persamaan sebagai
berikut.
θv = (ρb/ρw) θw ………(5)
dimana :
19
ρb = Kerapatan isi tanah (g/cm3) ρw = Berat jenis air (= 1 g/cm3)
θw = Kadar air gravimetrik (% m/m ; m = massa)
1. Metode Gravimetrik
Metode ini menyatakan kandungan air dalam tanah (kelengasan tanah) dalam
persen berat air (dalam tanah tersebut) terhadap berat tanah kering (kering oven,
100-105 s.d 110oC). Rumus yang digunakan yaitu :
Kadar Air = ………..(6)
Keterangan :
BB = Berat basah (gr)
BK = Berat Kering (gr)
2. Metode Daya Hantar Listrik/Metode Tahanan (Resistance Method)
Metode ini menggunakan bahan porous seperti gipsum, nilon, dan fiberglas
memiliki tahanan listrik yang berhubungan dengan kandungan airnya. Jika blok
bahan tersebut dihubungkan dengan elektroda, dan kemudian ditempatkan tanah
basah di atasnya, maka blok bahan tersebut akan menyerap air sampai mencapai
kesetimbangan. Tahanan listrik blok ditentukan oleh kandungan air. Hubungan
antara pembacaan tahanan dan kandungan air dapat ditentukan melalui kalibrasi.
Akurasi pembacaan kelengasan dalam kisaran 1-15 bars.
3. Metode Tegangan
Metode ini menggunakan tensiometer lapangan, yaitu mengukur tegangan dimana
air diikat/dipegang oleh matriks tanah. Kisaran kemampuannya untuk mengukur
20
dilakukan penghisapan (suction). Kisaran ukurannya 0-1 bar. Selain itu dapat juga menggunkan pressure membrane, menggunakan piring porous yang tahan sampai tekanan 100 bar (Martinus, 2003).
2.5 Suhu dan Kelembaban
Kelembaban relatif (RH) dan suhu udara merupakan salah satu parameter yang
penting dalam pengukuran meteorologi. Pengukuran kelembaban relatif (RH)
secara kontinyu dan kemudahan dalam perawatan sangat diperlukan. Kelembaban
relatif adalah rasio yang digambarkan sebagai presentase tekanan uap air aktual
(e) terhadap tekanan uap jenuh (es). Pada suhu udara (T) tertentu. (Brock dan Scott, 2001). Sedangkan suhu udara adalah jumlah panas yang terkandung di
udara. (Riter, 2007). Pengembangan instrumentasi digital semakin canggih dari
waktu ke waktu, seperti halnya pada pengembangan sensor berbasis
semikonduktor yang terkalibrasi, memiliki akurasi tinggi dan semakin mudah
didapat. Oleh karena itu, pengembangan sebuah instrumen yang dapat mengukur
kelembaban relatif dan disertai perekam data (data logger) kedalam media penyimpanan secara digital sudah bisa dilakukan
2.6 Sensor
2.6.1. Sensor Suhu LM35
Sensor LM35 merupakan sebuah sensor yang memiliki nilai kalibrasi cukup
linear. Sensor ini memiliki tegangan +10.0 mV/°C yang artinya, setiap
peningkatan 1 oC akan bertambah daya lebih dari 10 mV. LM 35 dapat
21
pada tegangan 4 hingga 20 V. Tiga pin yang terdapat pada LM35 adalah Vs+
sebagai pencatu daya. Nasrullah (2011) menyatakan bahwa tegangan referensi
yang dapat digunakan sebesar 5 V. GND yang merupakan Grounding dan Vout yang merupakan keluaran dangan jangkauan kerja 0 sampai 1,5 volt. typical aplication dari sensor LM35 seperti yang terlihat pada Gambar 4 (Kadir, 2013).
Gambar 4. Pin dan Typical Aplikasi Sensor LM35
2.6.2. Sensor Kadar Air Tanah
Soil Moisture Sensor atau sensor kadar air tanah merupakan sensor untuk mendeteksi kadar air tanah. Sensor ini terdiri dari dua probe yang dapat
mengalirkan arus dan membaca nilai resistansinya. Semakin banyak air yang
terdapat pada media tanam dan terbaca oleh sensor maka akan menghasilkan nilai
resistensi yang kecil. Sedangkan media tanam yang kering akan sulit untuk
menghantarkan nilai listrik pada Sensor. Sensor ini memiliki spesifikasi seperti
pada Tabel 2.
22
No. Spesifikasi Keterangan
1 Power supply 3,3 V – 5 V 2 Output voltage signal 0 - 4,2 V
3 Current 35 Ma
4 Analog output Blue wire (signal/data) 5 GND Black wire (ground)
6 Power Red wire (VCC 5 V)
7 Size 60 x 20 x 5 mm
Gambar 5. Sensor Soil Moisture
2.6.3. Sensor Kelembaban
DHT11 adalah modul sensor suhu dan kelembaban udara yang mempunyai
jangkauan pengukuran suhu antara 0-50 oC dan jangkauan pengukuran
kelembaban udara 20 – 95% RH. Modul sensor ini memiliki akurasi pengukuran
23
Gambar 6. Sensor Kelembaban DHT 11
1. Spesifikasi dari DHT 11 adalah sebagai berikut:
2. Tegangan suply : + 5V
3. Range temperatur : 0 – 50 oC keakuratan ± 2 oC. 4. Range kelembaban : 20 -90 % RH, keakuratan ± 5 %. 5. Output : Sinyal digital.
2.7 Wireless ZIG Bee
Zigbee merupakan spesifikasi protokol komunikasi radio digital berdaya rendah
berdasarkan standar IEEE 802.15.4 tahun 2003 dan Zigbee Allience dengan
jangkaun maksimal 100 meter. Spesifikasi IEEE 802.15.4 merupakan dasar dari
Zigbee untuk lapisan bawah MAC dan PHY serta menentukan standar radio 2,4
GHz yang digunakan dunia. Sedangkan XBee merupakan modul komunikasi
wireless dengan frekuensi 2,4GHz, wireless ini dapat berkomunikasi secara Half duplex. Radio frequency transceiver ini merupakan modul terdiri dari RF receiver
24
prinsip kerja dari modul XBee dapat dilihat pada Gambar 7 dan modul Xbee dapat
dilihat pada Gambar 8 dibawah ini.
Gambar 7. Ilistrasi Prinsip Kerja Modul Xbee
25
Spesifikasi XBee dapat dilihat pada Tabel 3 dibawah ini
Tabel 3. Spesifikasi XBee
Spesification XBee Xbee
Indoor/Urban Range (30 m)
Outdoor RF line-of-sight Range (100 m)
Transmit Power Output 1mW (0 dBm)
RF Data Rate 250,000 bps
Serial Interface data Rate 1200 – 115200bps
Receiver Sensitivity -92dBm (1% packet error rate)
Power requirements
Supply Voltage 2.8 – 3.4
Transmit Current (typical) 45 mA(@3.3V)
Idle / Receive Current (typical) 50 mA(@3.3V)
Power-down Current <10 µA
General
Operating Freqency ISM 2.4 GHz
Dimension 0.960” x 1.087” (2.438cm x 2.761cm)
Operating temperature 40 to 85°C
Antenna Options Integrated Whip, Chip or U.FL
Proses pengiriman dan penerimaan data pada ZigBee menggunakan standar
network untuk transmisi data yang ditentukan oleh IEEE 802.15.4:
Data Request artinya pengiriman data
III. METODE PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat
Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Februari - Juli 2015 di Laboratorium
Terpadu Teknik Elektro dan Laboratorium Rekayasa Sumber Daya Air dan Lahan
serta diaplikasikan pada greenhouse mini, Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Pertanian, Universitas Lampung.
3.2 Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan pada penelitian ini adalah sebagai berikut
1. Sistem irigasi tetes yang terdiri dari pompa aquarium 13 watt, pipa PE
berdiameter 13 mm, emitter dengan debit 0.78 L/jam, tangki air serta
peralatan pendukungnya.
2. Oven, cawan, timbangan analitik dan ring sampel untuk menganalisis sifat
fisik tanah.
27
3.3 Pelaksanaan Penelitian
Pelaksanaan penelitian dimulai dari konsep perancangan alat, Desain Struktural,
Desain Fungsional, hingga tahap pengujian pengiriman data. Desain struktural
menjelaskan tahapan perancangan alat secara utuh dan menyeluruh sedangkan
Desain Fungsional menjelaskan proses perancangan alat berdasarkan fungsi dari
setiap komponen yang dirancang. Menurut utama (2006) pembuatan perangkat
keras (hardware) dilakukan sebelum membuat program agar dapat mempermudah dalam melakukan pengecekan apabila terjadi kesalahan. Apabila seluruh desain
selesai dilaksanakan, maka dapat dilakukan kalibrasi dan validasi terhadap alat
yang dibuat. Kemudian dapat dilakukan pengujian alat, pengujian pengiriman
data, dan pengujian alat dengan menggunakan tanaman Paprika. Gambar 9
28
Gambar 1. Flowchart Pelaksanaan Penelitian
3.4 Perancangan Alat Kontrol
Perancangan Alat merupakan tahapan pembentukan alat dimulai dari konsep
perancangan hingga pengujian komponen yang dilakukan pada alat yang dibuat.
Tahapan perancangan dimulai dari perancangan perangkat keras (Hardware) dari komponen tersedia hingga proses pemprograman (Software) dan juga interaksi antara keduanya. Proses perancangan dijelaskan sebagai berikut:
3.5 Kriteria Desain
Alat yang akan dibuat memiliki beberapa kriteria untuk menggambarkan tahapan
perancangan yang dilakukan. Kriteria desain dari alat yang dibuat adalah sebagai
berikut:
1. Alat yang dibuat mampu membaca parameter lingkungan dan memberikan
29
2. Alat mampu melakukan pengendalian terhadap beberapa faktor
lingkungan seperti suhu, kelembaban, dan kadar air.
3. Pemantauan dan pengendalian dapat dipantau dari jarak jauh dengan
menggunakan teknologi Zigbee yang saling terhubung antara alat dengan
komputer.
3.6 Desain Struktural
Berdasarkan konsep dari beberapa kriteria yang ada, maka dilakukan desain
secara menyeluruh dan terstruktur untuk menggambarkan tahapan-tahapan dari
proses perancangan. Desain Struktural merupakan tahapan perancangan alat untuk
memebrikan gambaran tentang pembuatan alat secara menyeluruh dimulai dari
bentuk alat yang akan dibuat dan sistem kerja alat secara menyeluruh. Pembuatan
sistem perangkat keras merupakan tahap pembuatan rangkaian yang digunakan
dalam pembuatan sistem pemantauan dan pengendalian di greenhouse. Rangkaian mikrokontroler merupakan rangkaian pengendali suhu, kelembaban dan kadar air
30
Gambar 2. Rangkaian Mikrokontroller
Mikrokontroler mendapatkan masukan dari sensor suhu LM 35 yang masuk ke
pin Analog 0, kemudian sensor kelembaban DHT 11 yang masuk ke pin analog 1.
Kemudian sensor kadar air tanah Soil Moisture yang masuk ke pin analog 2,
Kemudian pin digital output 12, 11, 5, 4, 3, 2 masuk ke pin data pada LCD 16x2
sebagai penampil suhu, kelembaban dan kadar air tanah pada tanaman di
greenhouse. Pin 6 digunakan sebagai keluaran mikrokontroler sebagai pengendali kipas sebagai penegndali kelembaban udara. Pin 7 digunakan sebagai keluaran
mikrokontroler sebagai pengendali water pump sebagai pengatur kadar air tanah. Pin 0 (RX) dan Pin 1 (TX) digunakan sebagai komunikasi wireless XBee antara mikrokontroler dengan komputer.
31
dupllex merupakan pemantauan dengan memanfaatkan wirelles yang terhubung antara Pengguna (user) dengan alat. Penjelasan tentang sistem kerja alat dan komunikasi antara alat dengan komputer dijelaskan oleh diagram blok pada
Gambar 11.
Gambar 3. Diagram Perancangan Pemantauan, dan Pengendalian dalam
greenhouse
Pemantauan suhu, kelembaban, dan kadar air tanah ditampilkan pada layar display
2x16 yang terpasang pada alat dalam box yang terbuat dari bahan acrilic dengan
dimensi P x L x T sebesar 30 cm x 30 cm x 15 cm pada greenhouse. Kemudian, dari data yang telah terbaca oleh alat kontrol dikomunikasikan dengan
menggunakan teknologi Zigbee untuk dilakukan pemantauan jarak jauh. Dengan demikian, data suhu, kelembaban, dan kadar air tanah dapat diakses apabila
32
3.7 Desain Fungsional
Desain fungsional merupakan tahapan perancangan alat yang menjelaskan fungsi
dari setiap komponen yang dirancang pada alat. Proses perancangan desain
fungsional dijelaskan dalam flowchart berikut.
Gambar 4. FlowchartDesain Rancangan Fungsional
Perancangan alat menggunakan komponen elektronika yang memiliki fungsi pada
33
berkerja pada dari setiap komponen yang telah dirangkai dan pemberian perintah
yang diberikan pada alat. Selain itu, Gambar 12 juga menjelaskan tantang
pengiriman data yang dilakukan oleh alat agar dapat berkomunikasi dengan
komputer dengan memanfaatkan teknologi Zigbee yang saling terhubung. Perintah untuk menjalankan program pada pengendalian kadar air tanah, suhu, dan
kelembaban sebagai berikut:
a. Jika kadar air ≤ critical water content (θc) maka pompa akan on (hidup), kadar air naik hingga mencapai field capacity.
b. Jika kadar air ≥ field capacity (FC) maka pompa akan off (mati), kadar air turun hingga mencapai critical water content.
Perintah dalam menjalankan suhu sebagai berikut:
a. Jika Suhu ≥ 32 maka blower akan on (hidup), suhu akanturun hingga mencapai ambang batas yang ditentukan.
b. Jika Suhu ≤ 28 maka blower akan off (mati), suhu akan naik hingga mencapai ambang batas yang ditentukan.
Sedangkan perintah yang digunakan untuk menjalankan alat dalam pengendalian
kelembaban sebagai berikut:
a. Jika kelembaban ≤ 65 maka sprinkler akan on (hidup), kelembaban akan naik hingga mencapai ambang batas yang ditentukan.
b. Jika kelembaban ≥ 70 maka sprinkler akan off (mati), kelembaban akan turun hingga mencapai ambang batas yang ditentukan.
Pemprograman pada mikrokontroler berkerja dengan mengubah nilai yang terbaca
34
dikendalikan oleh seluruh sistem yang terdapat pada mikrokontroler. Pemberian
nilai batasan dilakukan sebagai pengaturan yang terdapat pada perangkat lunak
(Software). Untuk perangkat lunak yang digunakan pada sistem kontrol ini menggunakan software Arduino. Nilai yang dibaca oleh mikrokontroler akan di
kirim menuju komputer menggunakan metode serial sehingga data dapat diolah
pada komputer.
Gambar 5. Jendela Pemprograman Arduino
Pembacaan data pada mikrokontroler akan dikomunikasikan dengan
menggunakan teknologi Zigbee. Teknologi Zigbee dipasang pada mikrokontroler
dan perangkat komputer. Untuk dapat berkomunikasi dengan komputer, hal yang
pertama dilakukan yaitu dengan membuka com serial yang terdeteksi di serial port
komputer tersebut. Data suhu, kelembaban, dan kadar air tanah dipantau dari jarak
jauh menggunakan komputer yang sudah terhubung dengan modul XBee Pro.
35
grafis. Dari GUI LabVIEW ini user dapat memantau data suhu, kelembaban dan kadar air tanah serta dapat menyimpan data tersebut pada laptop atau komputer
dengan format xls.
Bentuk pengolahan data menggunkan aplikasi LabView 2010. Sebagai pengolah
data yang akan ditampilkan pada komputer dimana LabView memiliki dua lembar
jendela kerja, yaitu jendela front panel dan jendela block diagram.
Gambar 6. Jendela Front Panel pada LabVIEW
Gambar di atas merupakan bentuk dari front panel pada aplikasi Lab VIEW 2010. Tampilan dari monitoring akan dikeluarkan pada laman ini. Terdapat
beberapa indikator yang dapat digunakan untuk menampilakan untuk
36
Gambar 7. Jendela Blok Diagram LabView
Gambar 15 merupakan laman jendela yang akan digunakan sebagai laman
pemrograman tampilan pada LabVIEW dengan cara menarik block diagram yang
sudah disediakan Lab VIEW pada kotak dialog function.
3.7.1 Spesifikasi Alat
Spesifikasi alat yang dibuat adalah sebagai berikut:
1) Alat mampu melakukan pemantauan terhadap keadaan lingkungan sekitar
yang terbaca oleh LM35 sebagai pembaca suhu, DHT 11 sebagai pembaca
nilai Kelembaban dan Soil Moisture sebagai pembaca kadar air tanah yang kemudian ditampilkan ke komputer dengan tampilan GUI yang
dihubungkan ke mokrokontroller.
2) Alat mampu menjaga suhu ruangan padabatasan yang telah diberikan.
37
terpasang dan juga dapat memantau dan mengendalikan aksi dari jarak jauh
dengan menggunakan teknologi Zigbee.
3) Sistem pemantauan dan pengendalian terhubung dengan komputer dengan
memanfaatkan komunikasi half duplex yang terdapat pada teknologi Zigbee.
Jenis modul yang akan digunakan yaitu modul XBee S2.
4) User Interface dibuat dengan menggunakan perangkat lunak LabVIEW dan sebagai pengolahan data yang dapat ditampilkan dan disimpan pada
komputer.
3.7.2 Diagram Blok
Diagram blok menjelaskan tentang sistem mikrokontroller yang mengendalikan
komponen aktuator. Diagram blok merupakan sistem Closed-loop yang dijelaskan pada Gambar 16 dan 17.
input + Output
_
Gambar 8. Pengendalian Suhu dan Kelembaban Pada Alat
Pembacaan nilai parameter lingkungan seperti suhu dan kelembaban dibaca oleh
sensor. Dapat dilihat bahwa pembacaan nilai mempengaruhi nilai set point pada
mikrokontroler. Nilai yang terbacapada sensor akan mempengaruhi aksi dari kipas
38
input + Output
_
Gambar 9. Pengendalian Kadar Air dan Aplikasi Irigasi Tetes
Pada Gambar 17. Menjelaskan tentang pengaturan kadar air untuk kebutuhan
tanaman. Apabila pembacaan kadar air berada di bawah θc, maka alat akan
memberikan perintah untuk menghidupkan pompa dan apabila pembacaan
menunjukan kondisi kapasitas lapang maka pompa akan mati dengan sendirinya.
Gambar 10. Rancangan Sistem Pemantauan dan Pengendalian Mikrokontroler Water pump
Soil
39
3.8 Kalibrasi Sensor Kadar Air Tanah
Kalibrasi sensor kadar air tanah dilakukan pada tekstur tanah yang berbeda.
Penentuan tekstur tanah dilakukan sebagai berikut:
1. Pengambilan sampel tanah sebanyak 100 g.
2. Pelarutan tanah dengan air dengan perbandingan 1 : 3 pada gelas ukur.
3. Penambahan larutan (detergen) sebanyak 10 g atau satu sendok makan. 4. Diaduk hingga tercampur dan dibiarkan mengendap.
5. Penentuan persentase pasir, lempung dan debu dari hasil endapan.
6. Penentuan jenis tanah dengan menggunakan segitiga tekstur menurut
USDA.
Setelah tekstur tanah didapatkan, dilakukan pengambilan sampel tanah untuk
mengetahui nilai kadar air tanah. Proses penentuan kadar air tanah dilakukan
sebagai berikut:
1. Pengambilan sampel tanah sebanyak 25 kg.
2. Pencampuran tanah dan kompos dengan perbandingan 5:1 pada lima buah
media.
3. Penjenuhan tanah dengan cara direndam.
4. Penirisan tanah selama 24 jam.
5. Penimbangan berat massa tanah dan perhitungan kadar air menggunakan
40
Untuk mengetahui banyaknya kadar air pada saat kapasitas lapang (FC), sampel
tanah yang diuji akan direndam dan didiamkan hingga sampai pada saat kondisi
konstan, kemudian dilakukan analisis laboratorium dengan menggunakan metode
gravimetrik dan dihitung dengan menggunakan persamaan 6. Pengukuran kadar
air basis masa kering udara (θ0) dilakukan untuk menentukan nilai kadar air pada
titik layu permanen (PWP). Nilai titik layu permanen (PWP) didapatkan dari dua
kali batas kadar air masa kering udara (θ0) dan dibandingkan berdasarkan
parameter pada Tabel 1. Hubungan Tanah dan Kadar Air Tersedia, James (1998).
Nilai batas kritis (θc) diambil dari setengah nilai antara batas titik layu permanen
(PWP) hingga batas kapasitas lapang (FC).
Setelah data kadar air didapatkan, dilakukan kalibrasi alat dengan mencari
hubungan antara voltase dan pembacaan kadar air pada alat. Hasil pembacaan
merupakan formula yang didapatkan dari garis linear hubungan antara voltase
dengan pembacaan kadar air pada media dengan menggunakan rumus:
Y = aX + b
Dimana :
a,b =Nilai Konstanta yang dihasilkan
Y = Pembacaan kadar air tanah (%)
41
3.9 Validasi Sensor Kadar Air, Suhu, Kelembaban
Validasi sensor dilakukan untuk membandingkan nilai yang terbaca oleh alat
dengan alat yang sudah ada. Pembandingan pembacaan nilai kadar air tanah
dilakukan dengan membandingkan antara nilai kadar air terbaca dengan analisis
kadar air yang dilakukan di laboratorium. Untuk validasi nilai suhu dan
kelembaban yang terbaca oleh sensor LM35 dan DHT-11, validasi dilakukan
dengan membandingkan nilai yang terbaca oleh alat dengan alat KRISBOW KW
06-921. Hasil dari perbedaan pembacaan alat yang dibuat dengan alat yang telah
tersedia akan disajikan dalam bentuk tabel dan grafik. Hal ini dilakukan untuk
mengetahui besaran nilai penyimpangan (error) alat yang dibuat dengan alat yang telah ada.
3.10 Pengujian Alat Kontrol dan Pemberian Aksi (aktuator)
Pengujian alat dilakukan dimana alat kontrol otomatis yang telah dirancang akan
mengendalikan seluruh kinerja sistem secara otomatis. Pengendalian kadar air
tanah akan dikendalikan oleh sensor kadar air tanah (moisture sensor) yang diletakkan di dalam tanah. Untuk pengendalian parameter lingkungan pada
greenhouse digunakan sensor suhu (LM-35) dan sensor kelembaban (DHT 11) yang diletakan dalam bangunan greenhouse. Seluruh rangkaian dari sensor akan dihubungkan ke mikrokontroler. Hasil dari perancangan dapat di lihat pada
42
Gambar 11. Realisasi Alat dan Skema Irigasi Tetes Pada greenhouse
Pengujian parameter pengamatan dilakukan untuk mengetahui nilai error dari alat yang telah dibuat. Pengujian alat merupakan perbandingan antara alat yang dibuat
dengan KRISBOW KW 06-921. Hasil pembacaan disajikan dalam bentuk Tabel
dan Grafik.
3.11 Pengujian Pengiriman Data
Pengujian pengiriman data merupakan pengujian yang dilakukan untuk
mengetahui performa dan kinerja dari alat yang dibuat. Pengiriman data
merupakan koneksi antara wireles yang terpasang pada alat dengan wirelles yang terpasang pada komputer dalam melakukan pemantauan jarak jauh. Komunikasi
yang dilakukan merupakan komunikasi secara line outside dan terjadi secara half duplex yaitu komunikasi serial yang terjadi antara hubungan kedua wireless.
Komunikasi yang terjadi diantara keduanya dilakukan secara real time. Batasan pemberian waktu pengiriman yang tepat dapat meningkatkan performa dari alat
yang dibuat dan dapat mengurangi beban kerja dari alat yang dibuat.
Blower
Bak Penampung
43
3.12 Uji Coba Alat Kontrol Pada Tanaman Paprika Menggunakan Jenis Tanah Lempung Berdebu (Silt Clay)
Uji coba sistem dilakukan pada jenis tanah lempung berdebu (silt clay) dengan menggunakan tanaman paprika. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kinerja
sistem dari alat dan pengaruh pemberian aksi terhadap tanaman secara nyata di
V. KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah dilakukan, maka dapat diambil beberapa
kesimpulan diantaranya:
1. Telah terealisasikan rancangan sistem kontrol otomatis yang berkerja
berdasarkan pembacaan nilai suhu, kelembaban, dan kadar air tanah.
2. Kalibrasi sensor kadar air dilakukan berdasarkan nilai regresi pada setiap
jenis tanah dengan nilai error yang terjadi pada pengujian tanah pertama sebesar 0,52% kadar air mutlak. Pada pengujian tanah kedua dengan nilai
error sebesar 0,63% kadar air mutlak, dan pengujian tanah ketiga dengan nilai error sebesar 0,60% kadar air mutlak. Pengujian dalam ruang
menunjukkan sensor suhu memiliki nilai error < 1 oC dan sensor kelembaban memiliki nilai error < 5%.
3. Hasil kerja sistem kendali otomatis telah sesuai berkerja berdasarkan set point
yang diberikan pada alat. Namun, pembacaan nilai kelembaban dan
pemberian aksi maih belum optimal dengan nilai penyimpangan lebih dari
10%.
4. Hasil uji koneksi pengiriman data dengan menggunakan teknologi Zigbee
83
dilakukan dalam waktu satu menit. Hal ini ditunjukkan dengan tidak
terjadinya kehilangan data pada pengiriman dengan delay satu menit.
5.2 SARAN
Saran dari penelitian ini adalah:
1. Pada penelitian selanjutnya sebaiknya menggunakan sensor kelembaban yang
lebih responsif terhadap perubahan nilai kelembaban dan memiliki nilai
pembacaan yang lebih akurat.
2. Pemilihan sistem sprinkler dalam pemberian aksi sebaiknya disesuaikan dengan daya tahan dari jenis sensor yang akan digunakan.
Penggunaan blower (exhaust fan) dalam proses penurunan suhu masih kurang optimum,
maka dibutuhkan lebih dari satu blower untuk menghasilkan nilai pembacaan suhu
DAFTAR PUSTAKA
Anonim, 2010. http: // eprints. undip. ac. Id /4886 /1/Sensor dan transduser. pdf. diakses pada 30 Oktober 2014.
Arriska, A. C., B. I. Setiawan, dan S. K. Saptomo. 2013. Rancangan dan Uji Coba Otomatisasi Irigasi Kendi. Skripsi. Departemen Teknik Sipil dan Lingkungan. Institut Pertanian Bogor. Bogor.
Brock, F. V. dan S. J. Richardson. 2001. Meteorological measurement system. Oxford Universiti Press US. New York, 310 hlm.
Delya, B. 2014. Rancang Bangun Sistem Hidroponik Pasang Surut Otomatis Untuk Budidaya Tanaman Cabai. Jurnal Teknik Pertanian Lampung. Vol. 4. No. 1 : 19-26.
Franata, R. 2014. Rancang Bangun Sistem Irigasi Tetes Otomatis Berbasis Perubahan Kadr Air Tanah Menggunakan Mikrokontroller Arduino Nano. Skripsi. Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Pertanian, Universitas Lampung. Lampung.
Heidi, Y. A. P. 2014. Rancang Bangun Sistem Akusisi Data Ikim Mikro Dalam Greenhouse Berbasis Mikrokontroler Arduino. Skripsi. Jurusan Teknik Pertanian, Fakultas Pertanian, Universitas Lampung. Lampung.
Ilham, J. 2012. Perancangan Sistem Pengendali dan Pedjadwal Lampu Ruangan berdasarkan Database melalui Komunikasi Wireless Zigbee. Makalah Seminar Tugas Akhir. Universitas Diponegoro, Semarang.
Islami, T dan W.H. Utomo. 1995. Hubungan Tanah, Air dan Tanaman. IKIP Semarang Press: Semarang. 356 hal.
James, 1998.Principle of Farm Irrigation System Design.John Wiley and Son. New York. 472 hlm.
