RANCANG BANGUN ALAT ELEKTRONIK PENGUKUR INDEKS WARNA DAUN PADI UNTUK REKOMENDASI PEMUPUKAN
NITROGEN
ARIEF WICAKSONO
PROGRAM MAYOR TEKNIK MESIN DAN PANGAN SEKOLAH PASCASARJANA
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Rancang Bangun Alat Elektronik
Pengukur Indeks Warna Daun Padi Untuk Rekomendasi Pemupukan adalah karya
saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk
apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Semua informasi yang berasal atau
dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah
disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir
tesis ini.
Bogor, September 2011
ABSTRACT
ARIEF WICAKSONO. Designing Electronic Device to Measure Leaf Color Index for Rice nitrogen Fertilizer Recommendation. Under Direction of I DEWA MADE SUBRATA and SUGIYANTA
Nondestructive nitrogen monitoring for rice leaf is necessary for applying site specific nitrogen recommendation. Electronic SPAD chlorophyll meter device from Konica Minolta and IRRI-Leaf Color Chart now is the most known tools for measuring rice leaf index which have correlated reading with leaf nitrogen content. Both device is using leaf color properties principles to gave index value for estimating leaf nitrogen content. In this research, a new Prototype of leaf color measurement portable device has been build using TAOS TCS230 RGB Color Sensor. This device is using white LED light source to get reflection from rice leaf. Value read from sensor within range 400-600 nm will be processed in microcontroller to gave color value, leaf index and nitrogen fertilizer amount to be applied in the rice field.
Performance test result indicate that the device has worked well on distinguishing colors as calibrated with GretagMacbeth color patch. Using BWD calibration the devices display XYZ and RGB color value as well as the BWD unit and fertilizer recommendation.
RINGKASAN
Pengamatan nitrogen pada daun padi secara non destruktif untuk mengaplikasikan Manajemen Nutrisi Spesifik Lokasi (SSNM) sangat diperlukan. Saat ini alat yang lazim digunakan untuk memonitor kadar nitrogen pada daun padi adalah alat elektronik SPAD dari Konica Minolta ataupun tabel warna BWD (bagan warna daun, leaf Color Chart) yang dikembangkan oleh IRRI. Bacaan dari kedua alat ini terkorelasi dengan kandungan nitrogen pada daun padi. Pada penelitian ini suatu rancang bangun dilakukan dengan menggunakan sensor warna RGB TAOS TCS230 dari alat pengukur indeks warna daun padi dengan prinsip refleksi dibuat prototipenya. Alat ini mengunakan sumber cahaya LED putih. Sumber cahaya tersebut kemudian dipantulkan oleh daun padi dan ditangkap oleh sensor warna dalam rentang panjang gelombang 400-600 nm. Selanjutnya hasil pendeteksian diolah oleh mikrokontroler dan ditampilkan pada display dalam bentuk nilai bacaan warna , indeks dan rekomendasi pemupukan nitrogen.
Hasil dari penelitian ini adalah sensor TCS 230 bekerja dengan baik untuk melihat perbedaan warna dengan pengujian menggunakan Kodak scanner calibration chart dengan bacaan frekuensi dominan pada warna merah,hijau biru dan putih.
Protipe alat yang dibuat mampu bekerja dengan baik untuk membedakan warna dan menghasilkan bacaan XYZ dari nilai RAW RGB. Kalibrasi dengan spektrometer Xrite Pro pada panel warna GretagMcbeth meghasilkan nilai perbedaan E maksimal sebesar 4.27, kalibrasi ke panel BWD empat warna menghasilkan nilai E maksimal sebesar 1.08.
Dengan menggunakan perkalian matriks transformasi ke bacaan RGB , Alat prototype mampu membedakan nilai BWD dari nilai 2,3,4 dan 5.
Hasil pengujian lapang pada empat percobaan dengan perlakuan taraf dosis pupuk NPK yang berbeda diperoleh akurasi pengukuran yang tinggi (78-96%) dan selisih nilai bacaan yang kecil (0.11-0.22), sehingga alat ini dapat dipakai untuk menggantikan BWD.
Hasil analisis statistik menunjukkan bahwa tidak ada perbedaan rata-rata antara alat prototipe dengan BWD. Hasil uji least square pada percobaan menghasilkan nilai r2 = 0.879 (data alat) dan r2 =0.793 (data BWD) yang menunjukan adanya hubungan antara dosis pemupukan dan bacaan BWD.
© Hak Cipta milik IPB, tahun 2011 Hak Cipta dilindungi Undang-undang
1. Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya.
a. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik atau tinjauan suatu masalah;
RANCANG BANGUN ALAT ELEKTRONIK PENGUKUR INDEKS WARNA DAUN PADI UNTUK REKOMENDASI PEMUPUKAN
NITROGEN
ARIEF WICAKSONO
Tesis
sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Mayor Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR
Judul Tesis : Rancang Bangun Alat Elektronik Pengukur Indeks Warna Daun Padi Untuk Rekomendasi Pemupukan Nitrogen
Nama Mahasiswa : Arief Wicaksono
NRP : F151070061
Disetujui,
Komisi Pembimbing
Dr. Ir. I Dewa Made Subrata, M. Agr Ketua
Dr. Ir Sugiyanta, M. Si Anggota
Diketahui,
Ketua Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
Dr. Ir. Setyo Pertiwi, M. Agr
Tanggal Ujian : 28 September 2011
Dekan Sekolah Pascasarjana
Dr. Ir Dahrul Syah, M.Sc.Agr
PRAKATA
Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya
sehingga karya ilmiah ini berhasil diselesaikan. Tema yang dipilih dalam
penelitian yang dilaksanakan sejak bulan Januari 2009 ini adalah pemupukan padi,
dengan judul Rancang Bangun Alat Elektronik Pengukur Indeks Warna Daun
Padi Untuk Rekomendasi Pemupukan.
Terima kasih penulis ucapkan kepada Bapak Dr. Ir. I Dewa Made Subrata,
M.Agr, dan Bapak Dr. Ir. Sugiyanta, M.Si selaku pembimbing. Di samping itu,
penghargaan penulis sampaikan kepada:
1. Ibu: Djumiatin , Bapak Djoko Siwi, Kakak : Nini Dewi T dan Lintang
Nawangsari, terimakasih atas doanya dan dukungannya, keponakan Ghozi dan
Tsaqilla.
2. Keluarga Besar M Kawit , Valentina PD, Marni, Nadia Putri.
3. Ketua Program studi TMP Dr. Ir. Setyo Pertiwi M.Agr atas bantuan dan solusi
untuk penyelesaian tesis.
4. Dosen TMP Dr Ir. Wawan Hermawan untuk solusi penyelesaian tesis.
5. Teman-teman TMP angkatan 2007, Rodiah NS,mas Wahyu Novi, Pak Sigit,
Pak Edi, Wilson, Niluh dan yang lain.
6. Rekan-rekan PT ASABA, System Solution Untuk semangatnya Yan, Yul,
Pinjaman X-ritenya, pak Wahyu untuk pencerahannya
7. Mas Mul dan bu ros-adm Mayor TMP.
8. Lab Sawah Baru dan pengurusnya.
Penulis menyadari bahwa karya ilmiah ini masih jauh dari sempurna, oleh
karena itu saran dan kritik yang bersifat membangun sangat diharapkan agar dapat
memberikan informasi dalam pengembangan karya tulis ini lebih lanjut. Semoga
karya ilmiah ini bermanfaat.
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Jakarta pada tanggal 21 September 1979 sebagai anak
ketiga dari tiga bersaudara, pasangan : Djoko Siwi dan Djumiatin Penulis
melanjutkan kuliah Strata 1 tahun 1997 di Program Studi Fisika Universitas Indonesia
sampai tahun 2003. Sebelum melanjutkan ke Sekolah Pascasarjana Mayor Teknik
Mesin Pertanian dan Pangan (TMP). Penulis memiliki minat di bidang elektronik,
perkembangan tumbuhan dan pemrograman komputer. Penulis saat ini masih aktif di
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI ... 1
DAFTAR TABEL ... 5
BAB I. PENDAHULUAN ... 6
A. Latar Belakang ... 6
B. Tujuan Penelitian ... 8
C. Manfaat Penelitian ... 8
D. Batasan Masalah... 8
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA ... 9
A. Tanaman Padi ... 9
B. Varietas Padi yang Ditanam di Indonesia ... 10
C. Perkembangan Tanaman Padi ... 10
D. Kebutuhan Nutrisi Tanaman Padi dan Kandungan Pupuk Nitrogen ... 11
E. Hasil Panen ... 12
F. Pengaruh Pemberian Nitrogen bagi Tanaman Padi ... 13
G. Aplikasi Nitrogen dan Kehijauan Daun ... 13
H. Pendugaan Kandungan Nitrogen Daun ... 14
I. Kajian alat pengestimasi pemupukan ... 15
I.1 SPAD ... 15
I.2. CCM200 ... 16
I.3. BWD ... 17
J. Hasil Bacaan SPAD dan BWD pada Tanaman Padi ... 19
K. Nilai Kritis Kahat Nitrogen pada Tanaman Padi ... 20
L. Manajemen Nutrisi Spesifik Lokasi untuk Pupuk Nitrogen ... 20
M. Rekomendasi Pemupukan Nitrogen Dinamik dengan BWD ... 21
N. Kajian Komponen Alat Pendeteksian Warna ... 22
N.1 Sensor Fotodioda TCS 230 ... 22
N.2. Sumber cahaya ... 25
N.3. Mikrokontroller AT89S8253 ... 27
O. Kajian Sistem Warna Pada Sensor TCS230 ... 28
BAB III. METODE PENELITIAN ... 30
A. Waktu dan Tempat Penelitian ... 30
B. Bahan dan Alat ... 30
C. Tahapan Penelitian ... 30
C.1 Perancangan Pendeteksian Tahap Awal ... 32
C.2 Desain Alat ... 33
C.3 Konversi Bacaan Sensor ke Bacaan Standar ... 36
C.4 Pendeteksian Warna BWD ... 40
C.5 Uji Validasi Pada Tanaman Padi ... 41
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 43
A. Pengujian Tahap Awal ... 43
B. Desain Alat ... 44
B.1. Kalibrasi Frekuensi ... 44
B.2. Disain Alat... 45
C.2. Pengujian Alat Ke BWD Empat Warna ... 50
C.3. Rekomendasi Pemupukan ... 51
D. Uji Validasi Pada Tanaman Padi ... 52
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 55
A.Kesimpulan ... 55
B. Saran ... 55
DAFTAR PUSTAKA ... 56
LAMPIRAN 1 Peralatan Penelitian ... 59
LAMPIRAN 2 Gambar Rangkaian Elektronik ... 62
LAMPIRAN 3 Data Pembacaan Frekuensi ... 64
LAMPIRAN 4 Data Pembacaan Spektrometer X-rite pada BWD ... 65
LAMPIRAN 5 Data Kalibrasi ... 66
LAMPIRAN 6 Konversi XYZ ke Lab ... 73
LAMPIRAN 7 Algoritma Pemrograman ... 74
LAMPIRAN 8 Data Pengamatan Lapang ... 76
LAMPIRAN 9 Hasil Uji t-Independen ... 80
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1 Oryza sativa (Sumber: Internet Koehler's Medicinal-Plants 1887). ... 9
Gambar 2 Tahap Perkembangan Tanaman Padi dalam skala HST (hari setelah pemindahan bibit ke lapang) (SSNM Guide for Transplanted rice in Java, IRRI 2004). ... 11
Gambar 3 Kebutuhan nitrogen tanaman padi pada berbagai hasil panen maksimum Ymax (C Witt 2002). ... 12
Gambar 4 Persentase reflektansi dari kanopi tanaman padi, pada aplikasi pupuk nitrogen yang berbeda 0 Kg/Ha, 135 Kg/Ha, 270 Kg/Ha dan 405 Kg/Ha (Lihong et. al. 2004). ... 14
Gambar 5 Klorofilmeter SPAD (SPAD datasheet Konica Minolta 2003). ... 15
Gambar 6 Pengukuran SPAD pada dua jenis daun (SPAD datasheet Konica Minolta 2003) ... 16
Gambar 7 Klorofilmeter CCM200 (CCM200 datasheet 2005) ... 17
Gambar 8 BWD: (a) BWD 6 warna dan, (b) BWD 4 warna... 18
Gambar 9 Spektral pantulan daun padi pada 4 kondisi kandungan nitrogen yang berbeda (Better Crops/Vol. 89 2005 No. 1)\ ... 18
Gambar 10 Spektral pantulan BWD 4 warna (Better Crops/Vol. 89 2005 No. 1) 19 Gambar 11 Tampak sensor TCS 230 (data Sheet TCS230, TAOS INC 2003)... 23
Gambar 12 Konfigurasi fotodioda merah (R), hijau (G), biru (B) dan clear (C) pada sensor TCS 230. ... 23
Gambar 13 Koneksi kaki-kaki sensor TCS 230 (data Sheet TCS230, TAOS INC 2003). ... 23
Gambar 14 Responsifitas dari sensor TCS230 untuk filter Merah-Hijau-Biru dan clear atau tanpa filter penghalang diluar sensor (data Sheet TCS230, TAOS INC 2003). ... 24
Gambar 15 Responsifitas dari sensor TCS230 untuk filter Merah-Hijau-Biru dan clear dengan penambahan filter kompensasi warna Cyan Hoya CM500 (data Sheet TCS230, TAOS INC 2003) ... 24
Gambar 16 Logic control dari sensor (data Sheet TCS230, TAOS INC 2003). ... 25
Gambar 17 Dimensi sensor TCS230 dalam ukuran mm, kemasan sensor Surface Mount Device (SMD) (data Sheet TCS230, TAOS INC 2003). ... 25
Gambar 18 Dimensi dari Led NSPW500BS ... 26
Gambar 19 Rentang panjang gelombang cahaya output NSPW500BS... 26
Gambar 20 Pin AT89S8253 pada kemasan PDIP 40 ... 27
Gambar 21 Skema pendeteksian warna tahap awal. ... 32
Gambar 22 Susunan programmable switch ke sensor pada pengujian tahap awal. ... 32
Gambar 23. Rangkaian Clock... 33
Gambar 24 Metode penghitungan frekuensi ... 33
Gambar 25 Perhitungan frekuensi ... 34
Gambar 26 Disain Menu Alat... 36
Gambar 27 Diagram alur konversi sistem warna TCS ... 39
Gambar 29 Diagram alur pengujian pada tanaman padi dengan pemberian pupuk
nitrogen terkondisi ... 42
Gambar 30. Bentuk keluaran sensor pada tampilan osiloskop ... 43
Gambar 31 Susunan Uji Pengukur Frekuensi ... 45
Gambar 32 Perbandingan pengukuran frekuensi pada alat standard dan ... 45
Gambar 33 Tampak atas alat prototipe ... 46
Gambar 34 Tampak belakang dan bawah alat prototype ... 46
Gambar 35 Bentuk fisika alat prototipe ... 47
Gambar 36 Konektor data dan catu data ... 47
Gambar 37 Bagian pendeteksian sensor terdapat di belakang ... 48
DAFTAR TABEL
Tabel 1 Presentase varietas penanaman padi di Indonesia ... 10
Tabel 2 Kandungan pupuk nitrogen untuk tanaman padi ... 11
Tabel 3 Spesifikasi SPAD502 (SPAD datasheet Konica Minolta 2003) ... 16
Tabel 4 Spesifikasi Klorofilmeter CCM200 (CCM200 datasheet 2005) ... 17
Tabel 5 Spesifikasi BWD 4 warna ... 19
Tabel 6 Bacaan SPAD, BWD dan IRRI 4 warna dalam skala desimal pada tanaman padi kultivar IR72 di dua musim pada tahun 2000 dan 2001 di IRRI Farm Filipina ... 20
Tabel 7 Rekomendasi Pemupukan BWD (IRRI 2006) ... 22
Tabel 8 Aturan logic control dari sensor TCS230 (data Sheet TCS230, TAOS INC 2003) ... 25
Tabel 9. Fitur mikrokontroller ATMEL AT89S8253 ... 27
Tabel 10. Frekuensi bacaan sensor pada filter merah (R), Hijau (G), Biru (B) dan ... 44
Tabel 11 Spesifikasi Alat Prototipe ... 48
Tabel 12. Pembacaan nilai XYZ dari BWD dan penentuan selang ... 50
Tabel 13 . Bacaan rgb alat, konversinya ke XYZ dan validasi selang pada sampel ... 51
Tabel 14 Tampilan rekomendasi pemupukan pada alat ... 51
Tabel 15 Hasil Pengujian Percobaan 1, NPK 16-16-16, pengambilan data 51 HST ... 52
Tabel 16 Hasil Pengujian Percobaan 2, NPK 15-15-15, pengambilan data 49 HST ... 53
Tabel 17 Hasil Pengujian Percobaan 3, NPK 12-12-17, pengambilan data 59 HST ... 53
BAB I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Padi (Oryza sativa) adalah tanaman semusim yang berasal dari benua
Asia, yang merupakan keluarga dari tanaman rumput-rumputan (Poeceae) dengan
Genus: Oryza. Secara umum tanaman ini dapat tumbuh dengan baik di daerah
dataran rendah hingga menengah, memiliki cuaca panas dan memiliki kelembaban
yang tinggi dengan jumlah air yang cukup. Tanaman padi adalah tanaman pangan
yang menghasilkan beras, makanan pokok bagi sebagian besar penduduk
penduduk Asia. Tahun 2006 konsumsi karbohidrat dunia dari beras sebesar 20%.
Budidayanya banyak dilakukan pada sawah beririgasi (75% produksi dunia),
sawah tadah hujan (17% produksi dunia) maupun daerah pasang air tawar (4%
produksi dunia).
Di Indonesia pada tahun 2003 luas lahan penanaman padi menempati
persentase 50% dari 21 juta hektar (Statistik Departemen Pertanian RI 2005).
Dengan tingkat pertumbuhan penduduk sebesar 1,3% per tahun dan kondisi alih
lahan sawah menjadi fungsi lain maka peningkatan produktifitas adalah cara
untuk memenuhi kebutuhan pangan. Peningkatan hasil beras dengan melakukan
perluasan lahan penanaman padi memiliki keterbatasan luasan yang terbatas dan
faktor kompetisi penggunaan lahan baik oleh tanaman lain seperti tebu atau
palawija atau dengan alih fungsi non pertanian seperti bangunan komersial atau
pemukiman.
Cara lain untuk meningkatkan hasil adalah menanam varietas yang
memiliki potensi hasil tinggi, menggunakan sistem penanaman intensif dengan
penggunaan pola penanaman padi sepanjang tahun tanpa diselingi tanaman lain,
mempercepat waktu dan memperbaiki kualitas pengolahan tanah, menggunakan
pola manajemen penanaman, pemupukan dan pengairan yang baik. Pada
peningkatan hasil melalui intensifikasi, hasil yang tidak optimal terjadi karena
serangan hama dan manajemen pemupukan yang kurang baik. Pemupukan padi
dilakuan dengan pemberian unsur makro yang diperlukan oleh tanaman berupa
Suplai unsur nitrogen dari tanah pada sistem penanaman padi intensif
tidaklah cukup, sehingga diperlukan penambahan pupuk nitrogen yang umumya
di Indonesia menggunakan Urea atau Ammonium sulfat (ZA). Rekomendasi
pemupukan nitrogen biasanya berada pada kisaran 100-150 Kg nitrogen per
hektar pada musim kering dengan intensitas penyinaran matahari yang tinggi dan
60-90 Kg nitrogen pada musim penghujan (Dobermann 2000).
Kondisi tersedianya nitrogen yang terlalu sedikit dapat menyebabkan
terjadinya defisiensi yang berakibat tanaman tumbuh lambat dan memiliki warna
daun hijau muda kekuningan dan akhirnya mengurangi jumlah malai padi atau
kematian tanaman pada kondisi kekurangan yang sangat. Pemberian pupuk
nitrogen yang berebihan pada tanaman padi terlihat dari kondisi warna daun yang
hijau pekat, memiliki struktur yang lemah dan mudah rebah sehingga mudah
terserang hama dan penyakit.
Dalam aplikasi pemupukan, tanaman yang mengalami kekurangan N
dipupuk dengan pupuk nitrogen dengan jumlah tertentu, sedangkan tanaman yang
kelebihan N tidak diberi pupuk.
Indeks kehijauan warna daun padi memiliki korelasi dengan jumlah
kandungan nitrogen. Korelasi ini dapat digunakan untuk merekomendasi
pemupukan nitrogen pada berbagai tahap pertumbuhan. Beberapa alat pengukur
indeks kehijauan daun nondestruktif (memiliki sensor untuk melakukan
pembacaan indeks warna) seperti SPAD Clorophyll Meter (Konica Minolta),
CCM200 (Opti Sciences) dan CM1000 (Spectrum Technology) banyak digunakan
untuk menentukan rekomendasi pemupukan nitrogen.
Kebutuhan di lapangan untuk kepraktisan penggunaan dan harga yang
terjangkau untuk alat pengukur indeks warna daun mendorong IRRI
mengembangkan bagan warna daun dalam bentuk Leaf Color Chart atau dikenal
dengan Bagan Warna Daun (BWD). BWD yang didistribusikan ke Indonesia
memiliki empat indeks warna daun dari nilai 2 hingga 5. Pada penggunaannya,
daun padi ditempelkan ke tabel warna BWD hingga tingkat kehijauannya dapat
diperkirakan dengan penglihatan dimana warna daun tersebut berada pada selang
indeks yang tertulis. Selanjutnya nilai ini digunakan untuk menentukan anjuran
Perkembangan teknologi sensor warna saat ini menghasilkan beragam
jenis sensor warna yang memiliki respon lebar pada cahaya tampak maupun yang
menghasilkan output respon warna Merah-Hijau-Biru (RGB). Sensor warna
TCS230 dari Texas Advanced Optoelectronic Solution (TAOS) merupakan salah
satu sensor warna dengan output respon RGB maupun lebar cahaya tampak.
B. Tujuan Penelitian
- Mendisain alat elektronik portable yang bekerja dengan prinsip reflektansi
untuk mengukur indeks kehijauan warna daun padi.
- Menentukan rekomendasi pemupukan untuk tanaman padi.
- Mengkarakterisasi bacaan sensor TCS230 ke dalam sistim warna tertentu.
C. Manfaat Penelitian
- Diperoleh karakteristik sensor TCS230 pada pendeteksian kadar kehijauan
daun padi dan korelasinya terhadap kandungan nitrogen.
- Tersedianya alat portabel untuk mengukur parameter kehijauan warna
daun padi secara kuantitatif yang selanjutnya dapat digunakan untuk
menentukan rekomendasi pemupukan nitrogen.
D. Batasan Masalah
- Perbedaan kehijauan daun padi diasumsikan karena kandungan nitrogen
yang berbeda dan tidak terpengaruh oleh defisiensi unsur lain yang
menyebabkan perubahan warna daun seperti unsur Mg dan S, penyakit
atau perubahan karena umur daun.
- Pemberian Rekomendasi pemupukan yang diberikan dari bacaan warna
daun mengikuti petunjuk BWD.
- Disain yang dilakukan bersifat prototipe.
- Kinerja alat dibatasi dengan penggunaan satu jenis sensor warna TCS230
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Tanaman Padi
Padi (Oryza sativa), adalah tanaman satu musim (annual plant) yang
berasal dari benua Asia. Tanaman ini merupakan keluarga dari tanaman rumput
rumputan (Poeceae) dengan Genus Oryza, dapat tumbuh dengan baik di daerah
dataran rendah hingga menengah, memiliki cuaca panas dan memiliki kelembaban
yang tinggi dengan jumlah air yang cukup.
Gambar 1 Oryza sativa (Sumber: Internet Koehler's Medicinal-Plants 1887).
Tanaman padi adalah tanaman pangan yang menghasilkan beras yang
merupakan makanan pokok bagi sebagian besar penduduk penduduk Asia. Tahun
2006, konsumsi karbohidrat dunia dari beras memiliki bagian sebesar 20%.
Budidaya padi banyak dilakukan pada sawah beririgasi (75% produksi dunia),
sawah tadah hujan (17% produksi dunia) maupun daerah pasang air tawar (4%
produksi dunia). Pada tahun 2003, luas lahan penanaman padi di Indonesia
menempati persentase 50% dari 21 juta hektar (Statistik Departemen Pertanian RI
2005). Dengan kondisi alih lahan sawah menjadi fungsi lain dan tingkat
pertumbuhan penduduk sebesar 1,3% per tahun maka peningkatan produktifitas
B. Varietas Padi yang Ditanam di Indonesia
Penanaman padi di Indonesia sebagian besar memanfaatkan lahan sawah
beririgasi, yang memiliki pengairan terus menerus dengan penanaman intensif dua
hingga tiga kali musim tanam per tahun. Sebagian besar petani membibitkan
benih sebelum penanaman, hingga tanaman siap dipindahkan ke lahan.
Varietas yang ditanam di Indonesia pada umumnya tergolong dalam
varietas moderen non hibrida yang memiliki umur pendek dengan potensi hasil
sebesar 8 ton/hektar. Presentase penanaman varietas padi di Indonesia terlihat
pada Tabel 1 berikut.
Tabel 1 Presentase varietas penanaman padi di Indonesia
No
Nama Varietas
Luas Penanaman
Dikembangkan oleh
Umur Panen
Potensi
Hasil Tahun (% lahan padi) (hari) (ton/hektar) diperkenalkan 1 IR 64 31.4 IRRI 110-120 8 1986 2 Ciherang 21.8 BB Penelitian Padi 116-125 8 2000 3 Ciliwung 8 BB Penelitian Padi 117-125 8 1988 4 Way Apo Buru 3.3 BB Penelitian Padi 115-125 8 1998 5 IR 42 2.4 IRRI 135-145 8 1980 6 Widas 1.8 BB Penelitian Padi 115-125 8 1998 7 Memberamo 1.6 BB Penelitian Padi 115-120 8 1995 8 Cisadane 1.6 BB Penelitian Padi 135-140 8 1980 9 IR 66 1.1 IRRI 110-120 8 1989 10 Cisokan 1.1 BB Penelitian Padi 110-120 8 1985
Catatan: Varietas lain yang ditanam dalam jumlah kecil di Indonesia adalah jenis aromatik maupun jenis hibrida dan jenis ketan. Sumber: Balitpa 2007
C. Perkembangan Tanaman Padi
Pertumbuhan tanaman padi dibagi menjadi tiga, yaitu : fase vegetatif, fase
reproduktif dan masa pematangan bulir. Fase vegetatif dimulai dari germinasi
benih hingga inisiasi malai. Fase reproduktif dimulai dari inisiasi malai hingga
pembungaan (anthesis), sedangkan masa pematangan bulir berawal dari
pembuahan hingga bulir padi matang dan keras (De Datta, 1981). Pada varietas IR
64 fase vegetatif berlangsung selama 45 hari, masa reproduktif berlangsung 35
hari dan masa pematangan bulir 30 hari, sehingga total 3 fase tersebut adalah 110
Tahap perkembangan tanaman padi dalam skala HST (hari setelah
pemindahan bibit ke lapang) dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2 Tahap Perkembangan Tanaman Padi dalam skala HST (hari setelah pemindahan bibit ke lapang) (SSNM Guide for Transplanted rice in Java, IRRI 2004).
D. Kebutuhan Nutrisi Tanaman Padi dan Kandungan Pupuk Nitrogen
Tanaman padi membutuhkan unsur nitrogen (N), Posfor (P), Kalium(K),
Seng (Zn), Belerang (S), Silikon (Si), Magnesium (Mg) , Kalsium (Ca), Besi (Fe),
Mangan (Mn), Tembaga (Cu) dan Boron (B) untuk pertubuhannya. Karena
penyerapan unsur N,P dan K cukup tinggi, maka pemberian pupuk N,P dan K
biasanya diberikan selama masa penanaman. Kandungan pupuk nitrogen yang
umum diberikan untuk pupuk tanaman padi di Indonesia tertera pada Tabel 2.
Tabel 2 Kandungan pupuk nitrogen untuk tanaman padi
Nama Rumus Kimia Kandungan Utama Kandungan Lain
Urea CO(NH2)2 46% nitrogen -
Ammonium sulfat (ZA) (NH4)2 SO4 21% nitrogen 24 % Belerang
Aplikasi nitrogen pada tanaman padi terbatas pada 10 Kg nitrogen /ton
bulir tanpa kulit (Dobermann 2000). Hasil panen maksimum Ymax pada tanaman
padi adalah hasil panen yang hanya dibatasi oleh iklim dan sifat genotif yang
dipengaruhi oleh jenis varietas. Hasil ini adalah hasil maksimum teoritis yang
dapat dipanen.
Kebutuhan nitrogen tanaman dalam Kg/Hektar pada berbagai nilai Ymax
Gambar 3 Kebutuhan nitrogen tanaman padi pada berbagai hasil panen maksimum Ymax (C Witt 2002).
E. Hasil Panen
Nilai maksimum yang dicapai saat panen pada kondisi pertumbuhan
tanaman padi pada kondisi yang hanya dipengaruhi oleh iklim dan sifat genotifnya
dinyatakan dengan Ymax. Nilai maksimum panen untuk kultivar yang ditanam di Asia berkisar pada nilai 10 ton/Ha pada musim panas dengan radiasi matahari
yang tinggi dan 7-8 ton/Ha pada musim penghujan saat radiasi matahari berkurang
karena terhalang oleh awan.
Keterbatasan nutrisi dan air menyebabkan hasil panen berkurang dari nilai
max
Y . Pada kondisi air yang cukup, nutrisi tanaman menjadi faktor pembatas
sehingga hasil panen yang tercapai dinyatakan dengan: Ya. Perbedaan antara
max
Y dan Ya pada lahan sawah yang beririgasi dengan baik, sebagian besar
disebabkan karena suplai pupuk N, P dan K yang terbatas, maka nilai Ya sebesar
80% dari Ymax dengan didukung manajemen nutrisi yang baik.
Pada kondisi tanaman yang terserang hama dan penyakit, keracunan
nutrisi dan hal-hal lain (selain pengaruh iklim, air dan nutrisi), nilai Ya akan
berkurang ke hasil sebenarnya (Y). Namun jika didukung oleh manajemen
F. Pengaruh Pemberian Nitrogen bagi Tanaman Padi
Nitrogen merupakan elemen penting bagi tumbuhan dan merupakan unsur
penyusun klorofil, yaitu molekul penangkap energi yang berasal dari cahaya
matahari untuk fotosintesis.
Tanaman tingkat tinggi memiliki klorofil-A (C55H72O5N4Mg) dan juga
klorofil-B (C55H70O6N4Mg). Klorofil terdiri dari atom Karbon, Hidrogen,
Oksigen, nitrogen dan Magnesium. Empat atom nitrogen membentuk cincin
porifirin dan mengelilingi atom Magnesium sebagai inti klorofil. Kekurangan
unsur nitrogen menyebabkan sedikitnya jumlah klorofil yang terbentuk.
nitrogen diserap melalui akar dalam bentuk ion nitrat (NO3) atau
Ammonium (NH4). Kedua ion ini sangat dibutuhkan pada fase pertumbuhan
vegetatif. Kebutuhan terbanyak tanaman terdapat saat awal pertumbuhan anakan
tengah dan tahap inisiasi malai. Pada saat pematangan, suplai nitrogen yang cukup
dapat menunda kematian daun karena usia, menjaga laju fotosintesis selama
pengisian gabah dan meningkatkan kandungan protein pada beras (Dobermann
2000).
G. Aplikasi Nitrogen dan Kehijauan Daun
Serapan energi klorofil pada cahaya tampak berada pada daerah panjang
gelombang 400 dan 700 nm. Sementara warna hijau pada panjang gelombang
500-600 nm, banyak dipantulkan sehingga warna daun terlihat hijau.
Spektral pantulan (reflektansi) dari kanopi tanaman padi pada aplikasi
pupuk nitrogen yang berbeda menunjukkan dua puncak pada rentang panjang
gelombang 400-1700 nm, yaitu puncak sempit pada 560 nm yang berada pada
daerah warna hijau muda dan puncak yang lebih datar pada rentang 800–1200 nm
Gambar 4 Persentase reflektansi dari kanopi tanaman padi, pada aplikasi pupuk nitrogen yang berbeda 0 Kg/Ha, 135 Kg/Ha, 270 Kg/Ha dan 405 Kg/Ha (Lihong et. al. 2004).
Warna daun padi tampak hijau muda (memiliki reflektansi paling tinggi
pada 560 nm) jika tanpa aplikasi nitrogen (Gambar 4). Aplikasi nitrogen sebesar
405 Kg/Ha berada pada nilai yang paling besar. Keempat data reflektansi tersebut
menunjukkan nilai yang rendah pada warna hijau muda namun pada penglihatan
manusia tampak berwarna hijau tua.
H. Pendugaan Kandungan Nitrogen Daun
Pendugaan kandungan nitrogen pada daun dengan mengunakan reflektansi
atau transmisi cahaya menggunakan metode pengukuran non dekstruktif.
Beberapa alat elektronik dikenal dengan istilah Klorofilmeter. Contoh alat
komersil adalah SPAD (Konica Minolta) dan CCM200 (Opti Sciences). Alat-alat
tersebut menduga kandungan nitrogen dengan cara pendeteksian sumber cahaya
yang mengemisikan cahaya pada panjang gelombang yang terdistribusi. Cahaya
ini akan terpantul oleh sampel daun atau tertransmisikan dan akan terdeteksi oleh
sensor fotodioda. Selanjutnya sensor tersebut menangkap panjang gelombang
tertentu dan mengubah bacaan menjadi satuan tak berdimensi. yang berkorelasi
Metode lain yang diterapkan pada bagan warna daun (Leaf Color Chart)
atau BWD adalah dengan menggunakan metode pembandingan warna melalui
warna standar dalam bentuk kartu plastik dengan warna serupa pada daun padi
sehingga pendugaan kandungan nitrogen dapat dilakukan pada selang nilai
tertentu.
I. Kajian alat pengestimasi pemupukan
Alat pengestimasi pemupukan bekerja berdasarkan prinsip tansmisi cahaya
ataupun refleksi. Nilai yang dihasilkan merupakan suatu besaran yang tidak
memiliki satuan tetapi berkaitan dengan pendugaan kandungan nitrogen pada
daun.
Ukuran alat pengestimasi pemupukan berbentuk portabel dan memiliki
sumber catu daya yang berasal dari baterai untuk memudahkan penggunanya.
I.1 SPAD
SPAD merupakan alat elektronik komersil yang diproduksi oleh Konica
Minolta. Alat ini berbentuk portabel dengan hasil bacaan bernilai 0-100 skala.
Area pengukurannya adalah 2-3 mm. Kemampuan menyimpan memori adalah 30
data hasil pengukuran dengan kemampuan pengukuran sebanyak 20,000 sampel.
Jika telah mengukur sampel sebanyak itu, perlu dilakukan penggantian baterai.
Gambar 5 Klorofilmeter SPAD (SPAD datasheet Konica Minolta 2003).
Alat ini bekerja dengan prinsip transmisi melalui halangan daun dan
berkorelasi cukup baik dengan kandungan nitrogen pada daun padi per unit luas
(Na), tetapi berkorelasi buruk dengan kandungan nitrogen pada daun padi per unit
bobot kering (Ndw) (Peng et. al. 1996).
Gambar 6 Pengukuran SPAD pada dua jenis daun (SPAD datasheet Konica Minolta 2003)
Spesifikasi SPAD502 dapat dilihat pada tabel 3.
Tabel 3 Spesifikasi SPAD502 (SPAD datasheet Konica Minolta 2003) SPAD 502
Produsen Konica Minolta Sensing INC, Osaka Japan
Sensor Penerima 1 Fotodioda Silikon Bidang tangkap Sensor 2x3 mm
Sumber Cahaya 2 LED
Tampilan 3 Digit LCD 1 Desimal
2 Digit No Data
Interface Opsional
Memori 30 Data pengukuran
Sumber Tenaga 2x1.5 V Baterei Alkaline
Dimensi 16.4x7.8x 4.9 cm
Bobot 225 g
I.2. CCM200
CCM 200 merupakan klorofil meter produksi Opti Sciences, bekerja
dengan cara mengukur serapan cahaya pada daerah merah. Dengan unit
pengukuran klorofil indeks (CCI). Alat ini mampu menyimpan 8192 data
Gambar 7 Klorofilmeter CCM200 (CCM200 datasheet 2005)
Spesifikasi Klorofilmeter CCM200 dapat dilihat pada Tabel berikut.
Tabel 4 Spesifikasi Klorofilmeter CCM200 (CCM200 datasheet 2005)
CCM 200
Produsen Opti Sciences INC, New Hamsphire USA
Sensor Penerima 1 Fotodioda Silikon
Bidang tangkap Sensor Arperture diameter 0.95 cm Sumber Cahaya 640 mm LED, IR LED
Tampilan 16x2 Alphanumeric LCD
Interface USB 1.1
Memori 8192 Data pengukuran
Sumber Tenaga 9 V Batrei Alkaline
Dimensi 15.2x8.2x 2.5 cm
Bobot 162 g
I.3. BWD
BWD atau dikenal dengan nama Bagan Warna Daun adalah tabel warna
praktis yang dapat digunakan di lapangan untuk mengukur indeks kehijauan
warna daun. BWD terdiri dari beberapa kotak warna dengan kadar hijau yang
berbeda. Untuk warna hijau dengan bagan sebanyak 6 dan 4 dapat dilihat pada
Gambar 8. Di Indonesia BWD umumnya terdiri dari 4 kotak warna dan terbuat
a
b
Gambar 8 BWD: (a) BWD 6 warna dan, (b) BWD 4 warna.
Metode disainnya adalah dengan membandingkan spektrum reflektansi
dari daun padi pada kodisi kadar nitrogen yang berlainan kemudian
mengambarkan spektralnya pada rentang gelombang yang dapat dilihat pada
Gambar 9.
Gambar 9 Spektral pantulan daun padi pada 4 kondisi kandungan nitrogen yang berbeda (Better Crops/Vol. 89 2005 No. 1)\
Spektral ini akan menunjukkan pantulan yang berbeda cukup signifikan di
ini dibuatlah suatu permukaan dengan lapisan berwarna yang spektral pantulannya
menyerupai spektral pantulan warna daun padi (Gambar 10).
Gambar 10 Spektral pantulan BWD 4 warna (Better Crops/Vol. 89 2005 No. 1)
Spesifikasi BWD 4 warna yang diproduksi IRRI dan UCCE dapat dilihat pada Tabel 5
Tabel 5 Spesifikasi BWD 4 warna
BWD 4 Warna
Pengembang IRRI
University California Cooperative Extension Target Pengguna Negara-negara ASEAN,India
Dimensi 13.5 x 6.5 x 0.4 cm
Bahan Plastik keras
Bobot 40 g
Jumlah Panel 4
Nilai Indeks kehijauan 2,3,4,5
J. Hasil Bacaan SPAD dan BWD pada Tanaman Padi
Contoh dari pembacaan SPAD dan BWD dalam skala kontinyu untuk
warna daun padi pada kondisi pertumbuhan yang berbeda dan aplikasi pupuk
nitrogen yang berbeda terdapat pada Tabel 6 (Woon-Ho et. al. 2003).
Dari Tabel 6 dapat dilihat nilai SPAD dan BWD semakin tinggi dengan
bertambahnya kandungan nitrogen dalam daun. Penambahan pupuk nitrogen
Tabel 6 Bacaan SPAD, BWD dan IRRI 4 warna dalam skala desimal pada tanaman padi kultivar IR72 di dua musim pada tahun 2000 dan 2001 di IRRI Farm Filipina
Aplikasi nitrogen/ nitrogen/ Skala Skala Pupuk N unit massa unit luas BWD SPAD
Kg/Ha NDWB NAB IRRI
g/Kg g/m2
Malai Inisiasion
Musim Hujan 2000
0 22.7 1.3 2.6 30.1 45 25.2 1.4 2.8 31.8 90 28.1 1.4 3.0 32.5 125 30.1 1.5 3.0 34.8
Musim Panas 2001
0 21.8 1.1 2.4 28.7 60 25.2 1.3 2.6 30.8 100 28.1 1.4 3.1 33.9 120 32.2 1.6 3.6 37.2
Flowering
Musim Hujan 2000
0 26.5 1.6 3.2 36.8 45 31.1 1.8 4.1 38.5 90 31.6 1.6 4.0 38.0 125 33.5 1.7 4.4 39.4
Musim Panas 2001
0 22.4 1.5 2.5 32.1 60 24.5 1.5 2.9 35.0 100 28.5 1.7 3.4 38.4 120 31.6 1.7 3.9 40.0
Sumber: Woon-Ho et. al. 2003.
K. Nilai Kritis Kahat Nitrogen pada Tanaman Padi
Untuk mencapai hasil panen maksimum Ymax, kandungan nilai nitrogen pada daun padi harus dijaga diatas level 1.4 g/m2 . Nilai ini merupakan
kandungan nitrogen perluasan area daun. Nilai ini berkaitan dengan bacaan SPAD
sebesar 35. Sampai fase inisiasi malai, nilai kritis kandungan nitrogen sebesar
2.5% (Dobermann ,IRRI 2000 ).
L. Manajemen Nutrisi Spesifik Lokasi untuk Pupuk Nitrogen
Manajemen nutrisi spesifik lokasi atau Site Spesific Nutrient Management
(SSNM) untuk tanaman padi adalah suatu sistem pemberian nutrisi yang
bergantung dari kondisi lapang, termasuk kondisi tanah mauupun kebutuhan
tanaman untuk mencapai hasil panen yang tinggi dan penggunaan pupuk yang
efisien. Pada metode ini rekomendasi pemberian pupuk nitrogen pada tanaman
[image:30.612.112.504.124.370.2]i. Mengestimasi kebutuhan pupuk nitrogen pada setiap musim.
ii. Memformulasikan sistem manajemen dinamis untuk membagi aplikasi
pupuk nitrogen ke dalam beberapa bagian dan memberikannya pada tahap
tertentu selama masa pertumbuhan tanaman padi.
Perhitungan kebutuhan pupuk nitrogen untuk padi non hibrida yang
ditanam dengan metode penyemaian adalah sebagai berikut (Dobermann,
Fairhurst 2000):
i. Untuk musim panas dengan Ymax ~ 10 ton/Ha dan target hasil 7-8 ton/Ha
o Kebutuhan pupuk 100- 150 Kg/Ha dibagi menjadi tiga aplikasi:
25% saat Pertumbuhan percabangan awal (Early Tillering)
(14-20 HST);
30% saat Percabangan tengah (Mildtillering) (30-35 HST); 45% saat ininsiasi malai (40-50 HST).
o Bila ketersediaan nitrogen indigen dalam tanah adalah kurang dari
45 Kg/Ha dan penanaman tanpa pupuk nitrogen (hanya dengan P
dan K) kurang dari 3 ton/Ha maka perlu dilakukan pemupukan
basal nitrogen 20 Kg/Ha.
ii. Untuk musim penghujan dengan hasil yang lebih kecil dari musim panas
max
Y ~ 7 Ton/Ha dan target hasil 5-6 Ton/Ha
o Kebutuhan pupuk 80-100 Kg/Ha dibagi menjadi tiga aplikasi
25% saat Pertumbuhan percabangan awal (Early Tillering)
(14-20 HST);
30% saat Percabangan tengah (Midtillering) (30-35 HST); 45% saat ininsiasi malai (40-50 HST).
M. Rekomendasi Pemupukan Nitrogen Dinamik dengan BWD
Rekomendasi pemupukan nitrogen untuk tanaman padi secara dinamis
dapat dilakukan dengan memonitor warna daun setiap selang waktu tertentu.
Pemupukan biasanya dimulai pada 14 HST dan kemudian di saat umur tanaman
Indonesia dilakukan setiap 7 sampai 50 HST. Tabel rekomendasi pemupukannya
dapat dilihat pada Tabel 7.
Tabel 7 ini memperlihatkan takaran pupuk urea total yang harus diberikan
ke lahan pada bacaan BWD tertentu , pada tingkat hasil 5,6 dan 7 ton/hektar.
Tabel 7 Rekomendasi Pemupukan BWD (IRRI 2006)
Bacaan Tingkat Hasil
BWD 5 t/ha 6 t/ha 7 t/ha
Takaran urea (kg/ha)
2-3 75 100 125
3-4 50 75 100
4-5 0 0 50
N. Kajian Komponen Alat Pendeteksian Warna
Komponen alat pendeteksian warna terdiri atas sensor pendeteksi warna
TCS230, Filter Kompensasi, Sumber Cahaya, unit pemroses data dan unit
penampil data.
N.1 Sensor Fotodioda TCS 230
Sensor fotodioda TCS230 adalah sensor matriks fotodioda 8x8 dengan
filter RGB dan tanpa Filter (Gambar 11) dikemas secara mini Small Outline
Integrated Circuit (SOIC). Sensor ini terdiri dari 16 fotodioda dengan filter
merah, 16 fotodioda dengan filter hijau, 16 fotodioda dengan filter biru dan 16
Gambar 11 Tampak sensor TCS 230 (data Sheet TCS230, TAOS INC 2003).
R G R G R G R G 1 B C B C B C B C 2 R G R G R G R G 3 B C B C B C B C 4 R G R G R G R G 5 B C B C B C B C 6 R G R G R G R G 7 B C B C B C B C 8
1 2 3 4 5 6 7 8 Pin1
Gambar 12 Konfigurasi fotodioda merah (R), hijau (G), biru (B) dan clear (C) pada sensor TCS 230.
Gambar 13 Koneksi kaki-kaki sensor TCS 230 (data Sheet TCS230, TAOS INC 2003).
Keseluruhan respon frekuensi dari pendeteksian masing masing
fotodiodanya dapat digambarkan dalam rentang panjang gelombang 300-1100 nm
[image:33.612.222.411.267.384.2]Gambar 14 Responsifitas dari sensor TCS230 untuk filter Merah-Hijau-Biru dan clear atau tanpa filter penghalang diluar sensor (data Sheet TCS230, TAOS INC 2003).
Gambar 15 Responsifitas dari sensor TCS230 untuk filter Merah-Hijau-Biru dan clear dengan penambahan filter kompensasi warna Cyan Hoya CM500 (data Sheet TCS230, TAOS INC 2003)
Sensor TCS230 mengeluarkan output berupa gelombang kotak dengan duty
cycle 50% (simetri antara puncak dan lembah) dengan besar frekuensi keluaran
berbanding dengan responsifitas sensor. Pemilihan pembacaan fotodioda RGB
dan Clear dilakukan melalui 2 bit selektor S2 dan S3, pengaturan scaling
[image:34.612.211.424.338.510.2]Gambar 16 Logic control dari sensor (data Sheet TCS230, TAOS INC 2003).
Gambar 17 Dimensi sensor TCS230 dalam ukuran mm, kemasan sensor Surface Mount Device (SMD) (data Sheet TCS230, TAOS INC 2003).
Aturan dari pengisian input S0 dan S1 untuk scaling frekuensi dan S2 , S3
untuk pemilihan filter warna diberikan pada Tabel 8 berikut.
Tabel 8 Aturan logic control dari sensor TCS230 (data Sheet TCS230, TAOS INC 2003)
N.2. Sumber cahaya
Sumber cahaya mengemisikan cahaya dengan panjang gelombang yang
sesuai dengan rentang pendeteksian sensor. Suatu sumber cahaya bersifat ideal
jika intensitasnya cahaya tidak berubah-ubah terhadap temperatur pada input arus
Dimensi dari LED terdapat pada Gambar 18.
Gambar 18 Dimensi dari Led NSPW500BS
Cahaya keluaran led putih memiliki rentang frekuensi 400-700 nm dengan
[image:36.612.192.454.124.254.2]puncak intensitas berada pada warna biru dan merah (Gambar 19).
N.3. Mikrokontroller AT89S8253
Mikrokontroller AT89S8253 merupakan mikrokontroler produksi ATMEL
dengan arsitektur Intel 8051. AT89S8253 memiliki fasilitas in system
programming (ISP), 12Kbyte Flash untuk menyimpan kode program dan 2Kbyte
EEPROM sebagai peyimpan data. Fitur mikrokontroller dan koneksi pinya
terdapat pada Tabel 9 dan Gambar 20.
Tabel 9. Fitur mikrokontroller ATMEL AT89S8253
AT89S8253
Flash 12 Kbyte
EEPROM 2 Kbyte
RAM 256 Byte
Tegangan Operasi 2.7-5.5V Frekuensi Kerja 0-24 MHz
Komunikasi 32 pin Paralel (P0,P1,P2,P3), 1 Serial Jumlah Timer/Counter 3 (0,1,2)
Sumber interrupt 9
Fitur lain Mendukung Idle mode
Wake up from sleep using interrupt
O. Kajian Sistem Warna Pada Sensor TCS230
Sensor TCS230 merespon gelombang cahaya pada rentang filter hijau,
merah,biru, dan tanpa filter. Respon ini akan berupa gelombang kotak yang
memiliki frekuensi tertentu, dipengaruhi oleh intensitas cahaya yang diterima
sensor. Nilai RGB dari sensor umumnya akan dikonversi ke bacaan alat standard.
Konversi ini menggunakan pemetaan linear dengan perkalian matriks.
Apabila matrikSadalah suatu nilai pembacaan sensor yang terskala
min min
min g b
r dan rmax gmax bmax, dan bacaan untuk suatu warna i adalah
i i
i g b
r, , , bacaan pada kelompok warna tertentu atau target warna sebanyak n dapat dinyatakan dalam :
n n n b b b g g g r r r S ... ... ... 2 1 2 1 2 1
Matrik W adalah suatu nilai pembacaan alat standar yang terskala
min min
min G B
R dan Rmax Gmax Bmax, dan bacaan untuk suatu warna i adalah Ri,Gi,Bi, Maka bacaan pada kelompok warna tertentu atau target warna sebanyak n dapat dinyatakan dalam :
n n n B B B G G G R R R W ... ... ... 2 1 2 1 2 1
Maka dapat dicari suatu matrik M, yang memenuhi hubungan :
MS
W ………...Persamaan 2.1
Matriks M berdimensi (3 x 3) sedangkan matriks W dan S berdimensi (3
x n) . Nilai matrik M dapat dicari dengan :
1 WS
1
S adalah pseudo inverse dati matrik S(Moore-Penrose pseudoinverse),
perhitungan pseudo inverse dilakukan karena W dan S tidak berdimensi kotak
(u x u) sehingga diperlukan suatu nilai invers khusus yang disebut pseudoinverse.
Setelah nilai M didapatkan, perhitungan kembali akan menghasilkan
MS
W~ ……….Persamaan 2.3
dimana W~ adalah nilai ekspektasi dari Wyang memenuhi nilai error e W
W
e ~ ……….Persamaan 2.4
BAB III. METODE PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat Penelitian
Waktu penelitian ini adalah dari bulan Maret 2009-September 2011.
Pengujian dilaksanakan di Lab.Instrumentasi dan kontrol, Departemen Teknik
Mesin dan Biosistem IPB dan Lahan Sawah Baru IPB.
B. Bahan dan Alat
Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah:tanaman padi di lapang
menggunakan media tanah sawah dengan nitrogen yang terkondisi.
Alat-alat yang digunakan untuk penelitian meliputi : modul sensor
TCS-230, Switch terprogram, sumber cahaya, BWD-IRRI 4 panel, alat pengukur
indeks kehijauan warna daun terdiri atas bagian sensor pendeteksi dan sumber
cahaya, penghitung frekuensi output, unit pemroses, penyimpan data display
Input-Output dan pemroses data menggunakan mikrokontroler AT89S8253.
Alat-alat yang digunakan untuk analisa meliputi : Spektometer warna
:Chromometer CR-300 Konica Minolta dan sprktrometer Xrite Pro ES-1000.
Sampel warna :Kodak Color chart dan Xrite color passport. Alat ukur sinyal:
osiloskop Escort EAS-400, frekuensi counter Hioki 1360 universal counter, logic
probe KHN dan generator sinyal LAG.
C. Tahapan Penelitian
Tahapan penelitian untuk disain alat pendeteksi kadar kehijauan daun padi
adalah:
1. Perancangan Pendeteksi Tahap Awal
a. Pemasangan sensor warna dan sumber cahaya pada konfigurasi
sensor menerima refleksi dari set target warna dengan cahaya yang
berasal dari sumber cahaya led putih dengan output Osiloskop.
b. Menganalisis output frekuensi pada kombinasi RGBW yang
dikeluarkan sebagai respon dari target warna yang berubah - ubah.
c. Melihat bentuk gelombang keluaran dan noise.
2. Desain Alat.
a. Mendesain Pengukur frekuensi gelombang kotak dengan
mikrokontroller AT89S8253.
b. Menguji alat pengukur frekuensi terhadap output dari generator
sinyal, akurasi dan linearitas.
c. Mendesain alat portabel dengan penempatan catu daya, sensor,
kontroller, tombol operasi dan penampil LCD.
d. Mendesain alur pengendalian tombol, tampilan menu, kalibrasi
derajat putih, penskalaan konversi ke data dan penyimpanan data.
3. Konversi sensor dari nilai RAW RGB ke bacaan standar
a. Membandingkan bacaan standard dengan spektrometer Xrite
dengan bacaan RAW RGB sensor pada panel Gretag Macbeth.
b. Mencari matriks konversi dari RAW RGB ke XYZ Spektrometer
Melihat korelasi, selisih E1976 antara bacaan Spektrometer
dengan bacaan alat.
c. Memasukkan matriks konversi dan metode matematiknya ke dalam
algoritma program mikrokontroller.
4. Pengujian sensor TCS ke BWD(BWD) empat warna
a. Membaca nilai RGB di tiap pach BWD.
b. Mencari hubungan persamaan antara patch 2,3,4 dan 5.
c. Memasukkan persamaan ke dalam algoritma mikrokontroller.
d. Memasukan rekomendasi pemupukan ke dalam algoritma
mikrokontroller.
5. Pengujian pada daun padi yang terkondisi kadar nitrogennya.
a. Menguji pendeteksian warna daun padi yang ditanam di lahan
dengan taraf pemupukan yang berbeda.
b. Melihat respon pada satu jenis kondisi pemupukan pada
pengambilan data di daun yang berbeda.
C.1 Perancangan Pendeteksian Tahap Awal
Perancangan pendeteksian tahap awal bertujuan untuk melihat keluaran
dari sensor dan melihat respon sensor pada pendeteksian warna yang berbeda
dengan menggunakan kartu warna Kodak scanner calibration chart. Gelombang
keluaran dari sensor pada pemilihan pendeteksian RGB atau Clear dan faktor
pengali 100%,50% dan 2% dengan aturan logic mengikuti Tabel 8, dilihat bentuk
simetri dan frekuensinya.
Pada tahap ini digunakan modul sensor TCS230-DB dari Parallax, Switch
terprogram dari mikrokontroller, sumber cahaya, sedangkan outputnya dianalisa
dengan osiloskop untuk melihat adanya noise pada gelombang keluaran sensor.
Frekuensi keluaran dari sensor dihitung dengan frekuensi counter. Bagan
pendeteteksian tahap awal digambarkan pada Gambar 21, Susunan switch
[image:42.612.107.477.300.679.2]terprogram berada pada gambar 22.
Gambar 21 Skema pendeteksian warna tahap awal.
C.2 Desain Alat
Alat pengukur frekuensi keluaran dari sensor dibuat dengan menggunakan
mikrokontroller Atmel 89S8253, dengan sumbar getaran berasal dari kristal 12
MHz. Pada mikrokontroller Atmel seri-8051 (contoh : 89S51, 89S52,89S8253),
Satu siklus mesin membutuhkan 12 siklus getaran clock atau setara dengan 1
MHz. Gambar rangkaian clock disajikan pada Gambar 23.
[image:43.612.118.433.205.653.2]Gambar 23. Rangkaian Clock
Gambar 24 Metode penghitungan frekuensi
dilakukan dengan cara menghitung jumlah pulsa yang tiba dalam interval tertentu
(tm). Untuk panjang interval ditentukan sebesar dua kali 50 ms atau sebesar 0.1 s
(tm 0.1s). Ilustrasi metode perhitungan frekuensi terdapat pada Gambar 24.
Untuk menghasilkan nilai interval 50 ms, hitungan timer haruslah berjalan
sebanyak 50000 kali. Pada desain alat pengukuran frekuensi menggunakan timer
dan counter dengan mode 1 (Atmel datasheet 89S8253) dengan Counter 1
sebagai counter gelombang dan Timer 0 sebagai pewaktu.
Counter 1 pada pin 15 microcontroler AT 89S8253 digunakan sebagai
input gelombang yang akan diukur frekuensinya. Untuk perhitungan waktu
digunakan timer 0, sedangkan perhitungan pulsa menggunakan counter 1, diagram
alur perhitungan frekuensi berada pada Gambar 25.
Frekuensi Fc gelombang kotak yang diukur, dalam satuan Hz dihitung
dengan persamaan :
) ( 10N Hz
Fc c ………...Persamaan 3.1
[image:44.612.209.450.422.682.2]dimana Nc adalah jumlah pulsa yang dihitung (count).
Alat ukur frekuensi yang dibuat dengan mikrokontroller selanjutnya diuji
dengan membandingkan bacaan frekuensi yang terukur dengan menggunakan
signal generator. Hasil dari frekuensi yang dibaca oleh microkontroller
ditampilkan melalui output serial port komputer dengan driver serial MAX232.
Hasil bacaan kemudian akan dikomparasi dengan hasil dari frekuensi counter.
Setelah alat ukur frekuensi berfungsi dengan baik, maka tahapan
selanjutnya adalah menggabungnya dengan sensor warna, alat penampil berupa
LCD 16x4 (16 karakter dengan 4 baris). Untuk menu alat disediakan 4 tombol
push on sebagai select, menu, enter dan power off.
Alat prototipe didisain berbentuk portable karena akan digunakan di
lapang. Material penyusun kotak terbuat dari plastik keras PE berwarna gelap
untuk menghindari sensor mendapatkan bacaan dari cahaya luar. Menu
pengoperasian alat terdiri dari menu kalibrasi, pengukuran, reset, on-off, dan
penyimpanan. Menu-menu ini haruslah mudah diakses melalui 4 tombol yang
Start Alat
Baca Sampel Daun
Yes Menu Utama :
1.Membaca sampel daun 2.Masukan Parameter 3.Kalibrasi putih 4.Matikan Alat
Masukan Param Kalib Putin
Soft OFF LOW from PCON
REGISTER DEVICE OFF Matikan Alat Yes Yes Yes No No No No Data Kalibrasi Yes No Mengukur Warna daun
Konversi RAW ke RGB
Kalkulasi Pupuk
Rekomendasi Pemupukan
Kembali ke Menu
Device Setting Rice Plant Type Fertilizer data Target Plat Putih Mengukur Frekuensi RAW Tulis Ke RAM Simpan ke RAM
Nilai Skala
No
Kembali Ke menu Yes
Interrupt No Yes
[image:46.612.108.471.77.495.2]Warm Reset
Gambar 26 Disain Menu Alat
C.3 Konversi Bacaan Sensor ke Bacaan Standar
Untuk mengkarakterisasi sensor digunakan bacaan dari warna standar
Gretag Macbeth color passport dengan 24 variasi warna, warna-warna ini
kemudian akan dibaca oleh alat spektrometer X-rite pro dengan menggunakan
illuminan C sebagai sumber cahaya . Nilai besaran X,Y,Z dan L,a,b untuk contoh
warna kemudian dicatat.
Pengukuran contoh warna dengan menggunakan sensor TCS230 dilakukan
metode disebut kalibrasi putih (white balance) dengan patch putih Gretag
Macbeth .
Mentode pengukuran sensor TCS230 dilakukan dengan cara mendekatkan
target warna ke sensor pada jarak tertentu untuk melihat bacaan frekuensi pada
target warna. Hasil bacaan frekuensi R,G,B kemudian diskalakan dengan cara
membagi bacaan frekuensi terget warna dengan bacaan white balance target.
Metode ini menghasilkan bacaan maksiimal sensor RGB=255,255,255.
Secara matematris, pengukuran warna akan menghasilkan frekuensi
bacaan Fr,Fg,Fb,Fw dimana subskrip r,g,b,w menunjukan pemilihan filter
merah,hijau,biru dan bening (clear) filter pada sensor TCS230. Pada warna putih
tertentu yang digunakan sebagai acuan, frekuensi bacaan sensor adalah
wp bp gp
rp F F F
F , , , . Nilai ini digunakan sebagai acuan penskalaan, dimana nilai
warna r,g,b sensor yang belum terkonversi dihitung dengan :
wp w bp b gp g rp r F F w F F b F F g F F
r255 , 255 , 255 , 255 ………..Persamaan 3.1
Nilai ini kemudian akan diskalakan ke ruang warna XYZ dengan
menggunakan metode perkalian matriks, dengan sample warna sebanyak 24 buah
(i=1,2,...,24) sensor er Spektromet n n n b b b g g g r r r M M M M M M M M M Z Z Z Y Y Y X X X 24 2 1 24 2 1 24 2 1 33 32 31 23 22 21 13 12 11 2 1 2 1 2 1 ... ... ... ... ... ... ...Persamaan 3.2
Matriks M adalah More-Penrose pseudoinverse. Selanjutnya nilai ini akan
diuji dengan melihat nilai selisih antara pengukuran spektrometer dengan hasil
Nilai Error matriks E dihitung dengan persamaan : 24 2 1 24 2 1 24 2 1 33 32 31 23 22 21 13 12 11 2 1 2 1 2 1 ... ... ... ... ... ... ABS b b b g g g r r r M M M M M M M M M Z Z Z Y Y Y X X X E n n n ...Persamaan 3.3
Dari nilai matriks M yang telah dihitung maka pengukuran yang telah
terkonversi memiliki persamaan :
raw i terkonvers b g r M M M M M M M M M Z Y X 33 32 31 23 22 21 13 12 11 ...Persamaan 3.4
Selisih E1976 maksimum antara bacaan spektrometer warna dengan
bacaan alat dapat dihitung dengan perhitungan E(Burduk et.al 2011) dengan
persamaan :
22 1 2 2 1 2 2
1 L a a b b
L
E
……...Persamaan 3.5
Selanjutnya nilai M akan ditaruh di variabel Code mikrokontroller.
Gambar 27 Diagram alur konversi sistem warna TCS
Tahapan penelitian mulai dari perancangan, pemilihan sampel warna,
pengambilan data spectrometer , pengambilan data alat, kalibrasi hingga konversi
Mulai Penelitian
Analisa Output Sensor : Respon
RGB
Analisa dan Perbaikan Respon terhadap
R,G B W
Desain Pulse Counter Pembacaan frekuensi yang sesuai Pengujian terhadap gelombang kotak dari generator sinyal Analisa dan Perbaikan
Disain Alat, layout dan penempatan Pengujian Terhadap sample warna Perumusan Metode matematik untuk konversi RAW RGB ke XYZ
kesesuaian pembacaan warna
[image:50.612.142.477.76.399.2]RAW RGB data dari Sensor Koreksi metode Pembacaan Valid Analisa Error deltaE range pengukuran dan korelasi Ya Tidak Ya Tidak Tidak Ya A A
Gambar 28 Diagram alir perancangan hingga konversi sistem warna
C.4 Pendeteksian Warna BWD
Pendeteksian warna BWD, digunakan target BWD-IRRI 4 panel, data
diambil pada 5 sample BWD. Nilai XYZ. Bacaan nilai r untuk empat panel,
dinyatakan dalam bacaan XYZ rata-rata :
1 1 1
2 2 2 2
3 2 2 2
4 4 4 4
1 X ,Y ,Z ,r X ,Y ,Z ,r X ,Y ,Z ,r X ,Y ,Z r
...Persamaan 3.5
Dimana Xi,Yi,Ziadalah rata-rata bacaan X,Y,Z dari lima sample BWD.
Penentuan indeks dari bacaan dilakukan dengan penentuan nilai tengah
antara bacaan-bacaan panel seperti pada persamaan 3.6 – 3.17 :
1 2
1 :X 0.5X X
Sx r ...Persamaan 3.6
1 2
2 3
2:0.5 X X X 0.5X X
Sx r ...Persamaan 3.7
2 3
3 4
3:0.5 X X X 0.5X X
Sx r ...Persamaan 3.8
3 4
4 :X 0.5 X X
Sx r ...Persamaan 3.9
1 2
1 :Y 0.5Y Y
Sy r ...Persamaan 3.10
1 2
2 3
2:0.5Y Y Y 0.5Y Y
Sy r ...Persamaan 3.11
2 3
3 4
3:0.5Y Y Y 0.5Y Y
Sy r ...Persamaan 3.12
3 4
4 :Y 0.5Y Y
Sy r ...Persamaan 3.13
1 2
1 :Z 0.5Z Z
Sz r ...Persamaan 3.14
1 2
2 3
2 :0.5Z Z Z 0.5Z Z
Sz r ...Persamaan 3.15
2 3
3 4
3:0.5Z Z Z 0.5Z Z
Sz r ...Persamaan 3.16
3 4
4 :Z 0.5Z Z
Sz r ...Persamaan 3.17
Dengan Sxi,Syi,Sziadalah syarat tepenuhi dari indeks BWD (i=2,3,4,5) dan Xr,Yr,Zradalah bacaan XYZ dari alat.
C.5 Uji Validasi Pada Tanaman Padi
Untuk pengujian dengan target padi dilakukan di lahan sawah dengan
takaran pemupukan NPK yang berbeda-beda pada masing masing plot
penanaman. Selanjutnya warna daun dengan nitrogen terkondisi akan dideteksi
Pengambilan data dilakukan di lahan sawah : Sawah Baru IPB, pada
varietas padi Mentik Wangi pada empat percobaan dengan 6 dosis pemupukan
[image:52.612.296.430.135.456.2]NPK yaitu : 0%, 50%, 75%, 100%, 125% dan 150 % .
BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. Pengujian Tahap Awal
Pengujian gelombang yang dihasilkan oleh sensor TCS-230 dilakukan
dengan menghubungkan keluaran sensor dengan osiloskop dan frekuensi counter .
pengujian ini dilakukan untuk melihat bentuk gelombang dan respon frekuensi
terhadap perbedaan warna target yang direspon sensor.
Hasil gelombang keluaran sensor yang ditampilkan osiloskop
menunjukkan bentuk gelombang kotak sempurna dengan duty cycle berkisar
antara 45%-55%, amplitudo sinyal berada pada level tegangan TTL. Bentuk
[image:53.612.227.411.343.497.2]gelombang keluaran dapat dilihat pada Gambar 31.
Gambar 30. Bentuk keluaran sensor pada tampilan osiloskop
Respon pembacaan terhadap sampel warna Kodak scanner calibration
chart menunjukan bacaan frekuensi yang berbeda untuk tiap sampel, bacaan
frekuensi tertinggi di fungsi selektor R,G,B,W teramati pada sampel warna putih.
Untuk warna lain, sensor memberikan respon baik pada warna merah, hijau dan
biru terlihat dari bacaan frekuensi yang dominan pada warna-warna tersebut.
Tabel 10. Frekuensi bacaan sensor pada filter merah (R), Hijau (G), Biru (B) dan filter bening (W) pada berbagai target warna
Target Frekuensi (Hz)
Warna Filter Merah Filter Hijau Filter Biru Filter Bening
Rata-rata Stderr Rata-rata Stderr Rata-rata Stderr Rata-rata Stderr
Biru 526.67 2.72 983.33 5.44 3237.33 9.68 4752.67 10.34
Hijau 646.67 2.72 2516.67 10.89 1296.67 2.72 4049.67 24.36
Merah 3085.33 14.80 920 8.16 810 8.16 4776.67 19.08
Putih 8028.33 14.92 13308.33 23.83 12870.33 34.84 34458 51.87
Bacaan pada Tabel 9 menunjukkan rata-rata dari tiga pengambilan data
dan standard errornya. Data ini digunakan untuk mengkonfirmasi respon sensor
sebelum diskalakan ke nilai 0-255, terhadap warna tertentu. Data awal berada
pada Lampiran 3.
B. Desain Alat
Pada tahapan desain alat, pembuatan alat penghitung frekuensi dilakukan
dengan menggunkan mikrokontroller AT89S8253. Penghitung frekuensi
kemudian dibandingkan dengan frekuensi counter standard Hioki 3601. Tahapan
selanjutnya adalah mendesain peletakan modul hingga berada dalam susunan yang
kompak sebagai alat pendeteksi warna daun.
B.1. Kalibrasi Frekuensi
Pengukuran frekuensi dilakukan berada pada rentang 100 Hz hingga 500
KHz dengan bentuk gelombang kotak. Metode pengukuran frekuensi dilakukan
dengan menghitung jumlah pulsa yang masuk ke Counter1 mikrokontroller pada
selang Timer0 sebesar dua kali 50 ms. Pengujian dilakukan dengan
menghubungkan standar counter dan alat prototipe yang diuji dalam satu masukan
Gambar 31 Susunan Uji Pengukur Frekuensi
Hasil dari kedua pengukuran yang diplot pada satu grafik dengan sumbu
log dan dicari persamaan garisnya. Hasil grafik ditampilkan pada gambar 32. Dari
gambar terlihat bahwa alat pengukur frekuensi yang dibuat berfungsi dengan baik
mengukur frekuensi signal generator dengan koefisien korelasi sebesar 1.
kemiringan grafik sebesar 1.0002 dengan perpotongan sumbu-y sebesar -0.3749.
Nilai perpotongan sumbu y ini pada pengukuran frekuensi tinggi dapat diabaikan
karena fraksi nilai pengurang yang kecil.
y = 1.0002x - 0.3749 R2 = 1
10 100 1,000 10,000 100,000 1,000,000
10 100 1,000 10,000 100,000 1,000,000
Frekuensi terbaca oleh alat prototipe (Hz)
[image:55.612.159.469.387.580.2]F re k u e n s i T e rb a c a o le h F e k u e n s i C o u n te r S ta n d a r (H z )
Gambar 32 Perbandingan pengukuran frekuensi pada alat standard dan alat prototipe
B.2. Disain Alat
Disain alat prototype dibuat dalam suatu kotak hitam untuk meminimalisir
untuk melakukan pengukuran sample dengan diameter 0.5 cm, dan dibagian
bawah alat terdapat konektor data, pemrograman dan catu daya. Bentuk tampilan
[image:56.612.108.464.147.699.2]kemasan alat protitipe pada bentuk tiga dimensi berada pada Gambar 33 dan
[image:56.612.171.462.170.413.2]Gambar 34.
Gambar 33 Tampak atas alat prototipe
[image:56.612.162.444.445.686.2]Kemasan alat dalam bentuk fisik, dapat dilihat pada gambar 35 dan
[image:57.612.182.449.357.563.2]gambar 36 . Skema rangkaian dapat dilihat pada lampiran 2.
Gambar 35 Bentuk fisika alat prototipe
Gambar 36 Konektor data dan catu data
Spesifikasi berupa dimensi, berat, kebutuhan tegangan dan arus listrik alat
Gambar 37 Bagian pendeteksian sensor terdapat di belakang
Gambar 38 Bagian dalam alat menunjukkan rangkaian mikrokontroler dan sensor TCS-230
Tabel 11 Spesifikasi Alat Prototipe Alat Prototipe
Sumber cahaya Led Putih
Sensor Luasan bacaan sensor
Fotodioda RGB
0.2cm2
Dimensi 19 x 12 x 7 cm
Bobot 600 gr
Catu daya 7.5 - 35 V
Kebutuhan arus 130 mA Hidup
35 mA Standby
Tampilan LCD 16 x 4 Karakter
[image:58.612.139.467.269.480.2]C. Kalibrasi Sensor Ke Bacaan Spektrometer Dan BWD
Metode kalibrasi sensor yang dilakukan berupa metode kalibrasi perkalian
matriks dengan ukuran 3x3, sehingga bacaan RAW dari sensor bisa
ditransformasikan ke nilai XYZ.
C.1. Konversi sensor dari nilai RAW RGB ke bacaan standar
Kalibrasi dilakukan dengan menggunakan kartu warna standar
GretagMacbeth yang tersusun dari 24 panel, karena panel putih dijadikan nilai
standar sampel ini cukup merepresentasikan kordinat warna dengan baik
