Penggunaan Sleep Mode Arduino Pro Mini pada Sistem Pemantauan Hidroponik Berbasis Web Titus Setiawan, Deddy Susilo, Handoko

(1)

Penggunaan Sleep Mode Arduino Pro Mini pada Sistem Pemantauan Hidroponik Berbasis Web Titus Setiawan, Deddy Susilo, Handoko

1. Pendahuluan

Indonesia adalah salah satu kontributor terbesar urbanisasi di dunia. Menurut data PBB, populasi perkotaan Indonesia meningkat sekitar 59 juta dari tahun 2010 sampai 2018, di bawah Tiongkok dan India [1]. Meningkatnya populasi perkotaan yang ditandai dengan terjadinya urbanisasi kerap menimbulkan permasalahan diantaranya adalah tidak seimbangnya jumlah, distribusi dan komposisi penduduk, turunnya kualitas lingkungan sebagai akibat kurangnya lahan terbuka atau ruang hijau dan ketersediaan pangan yang memadai. Solusi yang perlu dikembangkan salah satunya adalah dengan menerapkan urban farming atau pertanian perkotaan [2].

Urban farming merupakan suatu konsep mengalihkan pertanian konvensial menjadi pertanian perkotaan, yang menjadi perbedaan adalah pelaku dan media tanam yang digunakan. Salah satu metode urban farming adalah hidroponik, metode ini lebih ramah lingkungan dibandingkan metode dengan media tanam tanah, hal ini dikarenakan tidak menimbulkan penurunan kualitas tanah dan limbah yang dapat merusak lingkungan [3].

Penggunaan hidroponik memiliki kelebihan dan kekurangan, kelebihan dari penggunaan hidroponik adalah penggunaan lahan yang lebih efisien, pengendalian hama dan penyakit lebih mudah, serta memiliki kuantitas dan kualitas produksi lebih tinggi.

Sedangkan kekurangannya adalah diperlukan pemantauan secara terus menerus.

Perubahan nilai pH pada tanaman sayur mempengaruhi pertumbuhan, oleh karena itu perlu untuk memantau secara rutin dan berkala agar tidak mempengaruhi kualitas tanaman [4].

Banyaknya unsur yang perlu diperhatikan dan pentingnya memantau tanaman secara rutin dan berkala, maka diperlukan sistem yang dapat memantau secara terus-menerus dan dapat dilihat dimanapun. Oleh karena itu sistem pemantauan tanaman hidroponik berbasis web dinilai sangat cocok, dikarenakan dapat diakses menggunakan platform dengan sistem operasi manapun tanpa melakukan proses instalasi serta tidak dibutuhkan perangkat dengan spesifikasi tinggi.

Sistem pemantau yang menggunakan sensor secara terus menerus dalam memantau kondisi tanaman akan mempengaruhi penggunaan daya dan dapat berdampak pada naiknya biaya perawatan. Di sisi lain, mengurangi daya pada suplai tegangan sensor akan menyebabkan kegagalan kerja pada sensor tersebut. Oleh karena itu dapat ditambahkan pengatur kondisi sensor aktif atau tidak aktif, agar dapat lebih menekan penggunaan daya.

Pada penelitian [5] telah dilakukan penelitian mengenai rancang bangun sleep mode pada wireless sensor node berbasis NRF24L01+, dengan hasil mampu mengurangi penggunaan daya pada sistem. Akan tetapi pada penelitian tersebut masih dapat ditambahkan sistem pewaktu yang fleksible saat memasuki mode low power. Maka pada peracangan ini, dibuat sistem sistem pemantauan hidroponik berbasis web dengan menggunakan sleep mode pada Arduino Pro Mini, dimana sistem memiliki pengaturan waktu sleep yang fleksibel dan mampu mengendalikan kondisi aktif atau tidak aktif pada beberapa sensor.

(2)

2. Metode

2.1. Perancangan Sistem

Sistem yang dirancang terdiri dari tiga bagian yaitu, transmitter, receiver dan client.

Pada transmitter terdapat saklar atau pengendali kondisi on / off sensor, Arduino Pro Mini sebagai mikrokontroler, sensor dan NRF24L01+ sebagai pengirim data sensor ke receiver.

ATmega328P pada Arduino Pro Mini memiliki fitur dalam manajemen daya yaitu dengan sleep mode, sleep mode mengizinkan untuk menonaktifkan modul yang tidak digunakan pada mikrokontroler, sehingga dapat menghemat daya. ATmega328P memiliki beberapa sleep mode seperti, idle, ADC noise reduction, power down, power save, standby dan extended standby [6]. Blok saklar pada transmitter terdiri dari NE555 sebagai multivibrator monostabil dan dua buah transistor. Blok sensor terdiri dari DHT22, SRF05 dan sensor PH.

Sensor DHT22 berfungsi untuk membaca suhu dan kelembaban lingkungan. Sensor SRF05 pada perancangan merupakan sensor ultrasonik yang berfungsi untuk membaca volume air pada bak nutrisi. Bedasarkan penelitian [7] diketahui bahwa sensor ultrasonik memiliki pembacaan yang baik pada jarak 3 cm hingga 30 cm. Pada bagian receiver terdiri dari ESP32-DevkitC sebagai mikrokontroler dan pengirim data sensor ke Firebase Realtime Database kemudian terdapat NRF24L01+ sebagai penerima data sensor dari transmitter.

Rancangan sistem ditunjukkan pada diagram blok Gambar 1.

Gambar 1. Diagram blok sistem 2.2. Perancangan Perangkat Keras

Perancangan perangkat keras receiver terdiri dari ESP32-DevkitC, NRF24L01+, resistor dan led. Untuk suplai tegangan menggunakan level tegangan 5 V, dengan menghubungkan soket DC ke pin Vin ESP32-DevkitC. Pada receiver disematkan fitur sleep yang ada pada ESP32-DevkitC, ESP32-DevkitC adalah papan pengembangan berbasis ESP32 berukuran kecil yang diproduksi oleh Espressif Systems. ESP32 didesain ultra low power guna menunjang aplikasi Internet of Things (IoT) [8]. Cara kerja fitur sleep pada receiver adalah menjaga ESP32-DevkitC dalam kondisi sleep ketika tidak menerima data dan akan wake ketika mendapat data dari transmitter. Untuk membuat ESP32-DevkitC dalam kondisi wake ketika menerima data, maka diperlukan external interrupt. External interrupt menggunakan pin IRQ dari NRF24L01+ yang terhubung dengan pin interrupt ESP32- DevkitC. Pin IRQ merupakan pin interrupt pada NRF24L01+ yang berfungsi untuk memberikan sinyal ketika data diterima oleh NRF24L01+ [9]. Skematik receiver ditunjukkan oleh Gambar 2.

(3)

Gambar 2. Skematik receiver

Perancangan perangkat keras pada transmitter terdiri dari rangkaian saklar, sensor, Arduino Pro Mini dan NRF24L01+. Rangkaian saklar berfungsi sebagai pengatur lamanya sleep pada Arduino Pro Mini dan kondisi on / off sensor melalui transistor. Pengatur durasi sleep menggunakan output dari multivibrator monostabil yang terhubung dengan pin interrupt Arduino Pro Mini. Multivibrator monostabil atau one shot merupakan rangkaian pewaktu yang hanya beroperasi selama jangka waktu tertentu. Pada perancangan ini menggunakan IC NE555. Pada Gambar 3 bila pada pin 2 diberi pulsa negatif maka pada pin 3 keluaran akan menjadi tinggi. Tegangan yang melintasi kapasitor C bertambah pada laju yang ditentukan Ra dan C. Jika tegangan kapasitor C mencapai 2/3 Vcc maka keluaran pada pin 3 akan beralih dari tinggi menjadi rendah [10].

Gambar 3. Multivibrator monostabil

Rangkaian multivibrator monostabil pada sistem ini memiliki lima pilihan durasi.

Untuk menentukan karakteristik rangkaian multivibrator monostabil sesuai yang dibutuhkan, maka perlu untuk menghitung / mencari nilai resistor (Ra) untuk Ttinggi dengan menggunakan Persamaan (1).

𝑇𝑡𝑖𝑛𝑔𝑔𝑖 = 1.1 × 𝑅𝑎 × 𝐶 (1)

Pada Persamaan (1) untuk nilai resistor (Ra) akan disesuaikan dengan ketersedian di pasaran. Hasil perhitungan ditunjukkan Tabel 1.

Tabel 1. Perhitungan multivibrator monostabil

Waktu (menit) Kapasitor (uF) Resistor Ttinggi (detik) 1

1000

20 K + 30 K 55

3 10 K + 150 K 176

5 62 K + 200 K 288,2

10 200 K + 330 K 583

15 330 K + 470K 880

(4)

Suplai tegangan Arduino Pro Mini diperoleh dari baterai yang dihubungkan ke pin RAW. NRF24L01+ bekerja pada level tegangan 3,3 V, maka diperlukan IC LM1117T sebagai penurun level tegangan. Skematik transmitter ditunjukkan oleh Gambar 4.

Gambar 4. Skematik transmitter

Desain alat untuk receiver ditunjukkan oleh Gambar 5(a). Pada desain terdapat tempat led indikator, antena NRF24L01+ serta soket DC untuk suplai tegangan dan lubang untuk sinyal WiFi ESP32-DevkitC. Pada desain untuk transmitter ditunjukkan oleh Gambar 5(b).

Pada desain menggunakan box panel yang diberi lubang sebagai tempat untuk led, rotary switch, push button dan antena NRF24L01+.

(a) (b)

Gambar 5. Desain (a) receiver dan (b) transmitter

2.3. Perancangan Perangkat Lunak

Cara kerja sistem pada transmitter diawali dengan membaca data sensor kemudian data hasil pembacaan sensor dikirim ke receiver dengan NRF24L01+. Setelah proses pengiriman data selesai, NRF24L01+ akan memasuki mode low power dengan memberikan instruksi powerDown(). Setelah itu perangkat akan melakukan enable sleep untuk mengizinkan mode sleep Arduino Pro Mini berjalan. Proses dilanjutkan dengan menambahkan nomor pin interrupt yang terhubung dengan ouput multivibrator

(5)

monostabil serta ISR (Interrupt Service Routine) dan mode untuk memicu (“HIGH” atau

“LOW”). Interrupt pada sistem ini digunakan untuk “membangunkan” Arduino Pro Mini dari sleep mode dan NRF24L01+. Setelah menambahkan interrupt, proses selanjutnya adalah mengatur jenis mode sleep yang akan dipakai, pada perancangan kali ini jenis mode yang dipakai adalah power down.

Setelah semua itu, Arduino Pro Mini akan memberikan keluaran “HIGH” untuk memicu rangkaian monostable aktif, kemudian dilanjutkan dengan proses sleep cpu.

Arduino Pro Mini akan berada pada kondisi sleep hingga proses pewaktu 555 selesai, kemudian akan “wake up” jika pin interrupt mendapat masukan “LOW” dari pin 3 IC NE555.

Pengoptimalan sleep mode pada sistem ini dilakukan dengan cara memutus suplai tegangan beberapa sensor dengan menggunakan transistor. Suplai tegangan beberapa sensor akan putus ketika pin 3 IC 555 berlogika “HIGH” dan akan menyambungkan suplai tegangan ketika pin 3 IC 555 berlogika “LOW”. Sistem akan mengulangi proses dari awal ketika pin Arduino Pro Mini mendeteksi interrupt atau proses pewaktu multivibrator monostabil selesai. Cara kerja sistem pada bagian transmitter ditunjukkan oleh diagram alir pada Gambar 6.

Gambar 6. Diagram alir transmitter

Pada receiver proses diawali dengan inisialisasi SSID dan password WiFi, kemudian dilanjutkan dengan attachInterrupt(). Setelah itu receiver akan melakukan pengecekan koneksi Wi-Fi, apabila ditemukan maka akan melanjutkan proses esp_sleep_enable_ext0_wakeup() dan akan terus mengecek hingga ketersediaan WiFi ditemukan. Setelah esp_sleep_enable_ext0_wakeup(), maka proses berikutnya ialah memulai light sleep. ESP32-DevkitC akan tetap pada mode light sleep hingga data dari transmitter masuk, apabila data telah diterima maka ESP32-DevkitC akan

“wake up” dan mengirim data sensor dan Unix timestamp ke Firebase. Kemudian data sensor dan timestamp dapat dilihat di web dengan menggunakan browser. Cara kerja receiver ditunjukkan oleh diagram alir pada Gambar 7.

(6)

Gambar 7. Diagram alir reciever

Pada web sederhana yang dirancang, proses diawali dengan user melakukan login dengan memasukkan email dan password yang sebelumnya telah ditambahkan di Firebase Authentication. Penambahan email dan password dilakukan dengan cara memasuki halaman authentication pada Console Firebase, kemudian mengubah status provider email / password menjadi enable pada menu navigasi sign-in method. Berikutnya adalah menambahkan email dan password pada menu users. Setelah berhasil login maka pengguna akan memasuki halaman home / monitoring dan dapat mengakses seluruh halaman web.

Aktifitas pengguna pada web ditunjukkan oleh use case diagram pada Gambar 8, dimana pengguna dapat melakukan login, logout, melihat halaman home, documentation dan about.

Gambar 8. Use case diagram 2.4. Teknik Pengumpulan Data dan Pengujian

Teknik pengumpulan data untuk mendapatkan daya pada receiver dan transmitter menggunakan metode datalogger, dengan periode pengambilan data setiap detik selama satu hari. Nilai daya didapat dengan membaca nilai arus dan tegangan dengan menggunakan sensor INA219. Setelah pengambilan data setiap detik dalam sehari selesai kemudian data diolah untuk mendapatkan nilai daya rata-rata. Skema pengumpulan data ditunjukkan oleh Gambar 9.

(7)

Gambar 9. Skema pengumpulan data

Teknik pengujian menggunakan perbandingan yaitu, antara sistem yang menggunakan mode sleep dan pengendali on / off sensor dengan sistem yang tidak menggunakan mode sleep dan pengendali on / off sensor. Kemudian perbandingan antara sistem yang menggunakan mode sleep dan tanpa pengendali on / off sensor dengan sistem yang tidak menggunakan mode sleep dan pengendali on / off sensor. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui seberapa baik sistem yang dirancang. Skematik yang digunakan untuk pembanding adalah skematik transmitter tanpa pengendali on / off sensor.

Skematik ini akan menjaga suplai tegangan sensor, meskipun Arduino Pro Mini dalam mode sleep atau tidak. Untuk menjaga suplai tegangan sensor maka kaki terminal positif pada sensor akan dihubungkan langsung ke VCC dan transistor Q1 pada Gambar 4 dihilangkan, hal ini dikarenakan transistor Q1 pada Gambar 4 merupakan transistor PNP yang berfungsi untuk mengalirkan / memutuskan tegangan positif ke sensor. Skematik pembanding ditunjukkan oleh Gambar 10.

Gambar 10. Skematik tanpa pengendali on / off sensor

Pengujian pada multivibrator monostabil dilakukan untuk mengetahui kesesuaian durasi. Pengujian dilakukan dengan cara mengukur lamanya keluaran rendah pada NE555 dengan menggunakan fungsi millis()pada Arduino Pro Mini.

3. Hasil dan Pembahasan

3.1. Pengujian Multivibrator Monostabil

Lima durasi multivibrator monostabil yaitu 1, 3, 5, 10 dan 15 menit akan diukur waktunya dengan menggunakan Arduino dengan fungsi millis(), yang kemudian akan

(8)

diubah menjadi detik. Pengujian ini dilakukan dengan mengambil data sebanyak tiga kali untuk setiap mode waktu. Hasil pengujian ditunjukkan oleh Tabel 2.

Tabel 2. Pengujian waktu mutlivibrator monostabil Kategori Resistor Percobaan Pengukuran (s) Perhitungan (s)

1 Menit

(60 Detik) 50 K

1 57,42

2 55,82 55

3 56,18

Rata - rata 56,4733333

Galat -2,68 %

3 Menit

(180 Detik) 160 K

1 182,68

2 179,5 176

3 179,51

Rata - rata 180,563333

Galat -2,59 %

5 Menit

(300 Detik) 267 K

1 300,33

288,2

2 300,45

3 298,61

Rata - rata 299,796667

Galat -4,02%

10 Menit

(600 Detik) 530 K

1 607,47

2 603,85 583

3 601

Rata - rata 604,106667

Galat -3,62 %

15 Menit

(900 Detik) 800 K

1 908,91

2 910,41 880

3 904,76

Rata - rata 908,026667

Galat -3,18 %

Dari hasil pengujian pada Tabel 2 diketahui galat pengukuran dengan perhitungan, hal ini dikarenakan Persamaan (1) merupakan persamaan dengan berbagai asumsi ideal diantaranya adalah nilai resistor dan kapasitor yang sama dengan persamaan, dimana hal ini sulit dipenuhi dalam perancangan ini. Tetapi nilai galat pengujian dengan durasi ideal adalah kurang dari ± 1 % untuk waktu 3, 5, 10 dan 15 menit, serta 5,88 % untuk durasi 1 menit. Galat hasil pengujian / pengukuran dengan durasi ideal ditunjukkan Tabel 3.

Tabel 3. Galat pengukuran dengan durasi ideal Pengukuran (s) Durasi Ideal (s) Galat

56,4733333 60 5,88%

180,56333 180 -0,31%

299,796667 300 0,07%

604,106667 600 -0,68%

908,026667 900 -0,89%

3.2. Pengujian Mode Sleep

Hasil pengujian mode sleep pada transmitter dengan mengumpulkan data daya menggunakan datalogger ditunjukkan oleh Tabel 4, 5 dan 6.

(9)

Tabel 4. Daya rerata Arduino tanpa sleep dan pemutus sensor No Durasi Daya (W)

1 1 menit 0,2528 2 3 menit 0,1535 3 5 menit 0,1218 4 10 menit 0,0951 5 15 menit 0,0866

Tabel 5. Daya rerata Arduino dengan sleep dan tanpa pemutus sensor

No Durasi Daya (W) Perbandingan dengan Arduino tanpa sleep dan pemutus sensor (%) 1 1 menit 0,2382 5,7901

2 3 menit 0,1298 15,432 3 5 menit 0,0954 21,6813 4 10 menit 0,0662 30,3346 5 15 menit 0,0550 36,5046

Tabel 6. Daya rerata Arduino dengan sleep dan pemutus sensor

No Durasi Daya (W) Perbandingan dengan Arduino tanpa sleep dan pemutus sensor (%) 1 1 menit 0,2224 12,0316

Pada Tabel 6 ditunjukkan bahwa sistem yang dirancang memiliki penghematan paling tinggi bila dibandingkan dengan Tabel 5 yang merupakan Arduino Pro Mini dengan sleep dan tanpa pemutus sensor. Hal ini dibuktikan dengan penghematan terkecil pada Tabel 6 ada pada durasi sleep 1 menit dengan penghematan 12,0316%, sedangkan pada Tabel 5 yang merupakan sistem dengan menggunakan sleep dan tanpa pemutus memiliki penghematan terkecil yaitu 5,7901%. Penghematan pada Tabel 6 lebih besar dari Tabel 5, dikarenakan transistor Q1 pada Gambar 3 memutus suplai tegangan sensor saat Arduino Pro Mini memasuki sleep mode, hal ini akan membantu mengurangi konsumsi daya pada transmitter.

Pengujian pada receiver dilakukan untuk mengetahui konsumsi daya dan nilai penghematan yang diperoleh receiver saat memasuki mode light sleep. Hasil pengumpulan daya pada ESP32-DevkitC tanpa light sleep ditunjukkan Tabel 7 dan Tabel 8 untuk data perbandingan saat menggunakan light sleep.

Tabel 7. Daya rerata receiver tanpa light sleep No Durasi Daya (W)

1 1 menit 0,6180 2 3 menit 0,4691 3 5 menit 0,3688 4 10 menit 0,3893 5 15 menit 0,3258

(10)

Tabel 8. Daya rerata receiver dengan lights leep

No Durasi Daya (W) Perbandingan dengan receiver tanpa light sleep (%) 1 1 menit 0,0586 90,5206

3.3. Pengujian Firebase Realtime Database dan Web

Pada pengujian realtime database ditampilkan data yang dikirim oleh receiver, data yang dikirimkan berjumlah lima, yaitu suhu, kelembaban, pH, jarak air dan Unix timestamp.

Data jarak air akan diolah menjadi persentase keterisian air pada bak penampung, kemudian untuk data Unix timestamp akan diformat agar dapat dibaca dengan mudah.

Pada pengujian web ditampilkan halaman monitoring dengan menyajikan data dari Firebase Realtime Database. Data sensor air pada realtime database akan diubah dalam bentuk persentase keterisian pada bak penampung agar mudah dipahami oleh pengguna.

Ketika tinggi air mencapai 7 cm maka keterisian air adalah 100 %, untuk tinggi air 22 cm maka keterisian air adalah 0 % atau habis. Pada border pH dan tinggi air terdapat warna sebagai indikator. Pengujian halaman monitoring ditunjukkan Gambar 11.

Gambar 11. Halaman monitoring

4. Kesimpulan

Bedasarkan perancangan dan pengujian sistem, dapat diambil kesimpulan bahwa multivibrator monostabil yang dirancang memiliki galat kurang dari ± 1 % untuk waktu 3, 5, 10 dan 15 menit, serta 5,88 % untuk durasi 1 menit.

Sistem yang dirancang atau Arduino Pro Mini dengan sleep dan pemutus sensor memiliki penghematan paling sedikit 12,03 % dibandingkan dengan Arduino Pro Mini tanpa sleep dan pemutus sensor dengan penghematan paling besar adalah 66,78 % untuk durasi 15 menit. Penggunaan transistor untuk memutus suplai tegangan sensor saat Arduino Pro Mini dalam mode sleep mampu mengurangi konsumsi daya, dengan

(11)

penghematan 12,03 % untuk durasi 1 menit dan penghematan 5,79 % untuk sistem dengan sleep mode tanpa pemutus suplai tegangan sensor.

Penerapan mode sleep ESP32-DevkitC pada receiver mampu mengurangi konsumsi daya bila dibandingkan dengan tanpa sleep, konsumsi daya rata-rata paling besar adalah 0,0585 W dan tanpa sleep adalah 0.6179 W.

Daftar Pustaka

[1] “Indonesia: Pembangunan Terintegrasi untuk Peningkatan Kehidupan di Daerah Perkotaan yang Terus Berkembang.” https://www.worldbank.org/in/news/press- release/2019/06/11/indonesia-integrated-development-to-improve-lives-of-growing- urban-population (accessed May 20, 2021).

[2] W. Handayani, P. Nugroho, and D. O. Hapsari, “Kajian potensi pengembangan pertanian perkotaan di kota semarang,” Riptek, vol. I, no. 2, pp. 55–68, 2018.

[3] T. A. Zuraiyah, M. I. Suriansyah, and A. P. Akbar, “Smart Urban Farming Berbasis Internet of Things (IoT),” Inf. Manag. Educ. Prof., vol. 3, no. 2, pp. 139–150, 2019.

[4] Z. Buana, O. Candra, and Elfizon, “Sistem Pemantauan Tanaman Sayur Dengan Media Tanam Hidroponik Menggunakan Arduino,” Jur. Tek. Elektro, Fak. Tek. Univ. Negeri Padang, vol. V, no. 1, pp. 74–80, 2019.

[5] R. E. Prasetyo, S. R. Akbar, and R. Maulana, “Rancang Bangun Low Power Pada Wireless Sensor Node Berbasis,” J. Pengembang Teknol. Inf. dan iImu Komput., vol. 2, no. 10, pp. 3843-3850, 2018.

[6] Atmel Corporation, “8-bit AVR Microcontrollers ATmega328 / P Datasheet Complete,”

Nov. 2016.

[7] M. B. Ridwan, and A. Hermawan, “Sistem Monitoring Tanaman Hidroponik Dengan Sensor PH , Suhu Air Dan Pemupukan Berbasis Internet of Thing,” J. TeknoSains FTIE UTY, 2019.

[8] Espressif Systems, “ESP32 Series Datasheet,” Mar. 2021.

[9] Nordic Semiconductor, “nRF24L01+ Single Chip 2.4 GHz Transceiver,” Mar. 2008.

[10] R. F. Couglin, F. F. Driscol, and H. W. Soemitro, ”Pewaktu Rangkaian Terpadu,” in Penguat Operasional dan Rangkaian Terpadu Linear, Jakarta: Penerbit Erlangga (in Bahasa Indonesia), 1985, ch. 13, sec. 5, pp. 301-302.