xiii
DAFTAR SINGKATAN
LCD : Liquid Crystal Display PH : Power of Hydrogen TBD : Turbidity
USB : Universal Serial Bus
NTU : Nephelometer Turbidity Unit GPS : Global Positioning System
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Kualitas air mudah berubah, baik secara alami maupun akibat perbuatan tangan manusia. Banyak kasus perubahan kualitas air yang terjadi disekitar pemukiman penduduk, industri, pertanian, peternakan dan lain sebagainya. Namun penggunaan dan kebutuhan akan air semakin lama semakin meningkat dan berbanding terbalik terhadap kualitas air tersebut.
Kualitas air secara umum menunjukkan mutu atau kondisi air yang dikaitkan dengan suatu kegiatan atau keperluan tertentu. Air adalah materi esensial didalam kehidupan, tidak ada satupun makhluk hidup di dunia ini yang tidak membutuhkan air. Air dibutuhkan dalam pemenuhan kebutuhan manusia untuk melakukan segala kegiatan mereka. Agar kelangsungan hidup manusia dapat berjalan lancar, air juga harus tersedia dalam jumlah yang memadai sesuai dengan aktifitas manusia pada tempat tertentu dan kurun waktu tertentu[1]. Air sungai merupakan salah satu sumber air yang sering digunakan oleh manusia.
Sungai atau air yang mengalir merupakan media yang mudah sebagai tempat pembuangan limbah bermacam-macam, sehingga tidak mengherankan apabila saat ini banyak sungai yang mengalami penurunan kualitas dan tingkat pencemaran yang tinggi sehingga air tersebut tidak dapat digunakan untuk kebutuhan sehari-hari[2].
Untuk menentukan kualitas suatu air terdapat standar dan parameter yang harus dipenuhi menurut Peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesia nomor 416/MENKES/PER/IX/1990 Tentang Syarat-syarat Dan Pengawasan Kualitas Air[3]. Diantaranya adalah parameter kimiawi pH dan parameter fisik kekeruhan dimana kadar atau kandungan parameter tersebut harus memenuhi peraturan agar air sungai tersebut bisa dikatakan aman digunakan atau tidaknya.
2
1.2. Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang ada, rumusan masalah yang diangkat adalah bagaimana merancang suatu alat portabel yang dapat mengukur kualitas air dengan menggunakan paramater pH dan kekeruhan air yang akan di uji coba pada 8 titik air sungai di daerah bandung dan komponen apa saja yang dipakai dalam perancangan alat tersebut. Alat tersebut mampu menghasilkan dan menampilkan nilai pH dan nilai kekeruhan suatu air sungai yang berikutnya akan disimpulkan apakah air tersebut aman digunakan atau tidak.
1.3 Tujuan
Tujuan dari pembuatan tugas akhir ini adalah :
1. Merancang dan mengimplementasikan alat ukur portabel yang dapat menentukan suatu kualitas air sungai.
2. Merancang alat ukur portabel yang dapat mengukur nilai pH dan kekeruhan suatu air sungai.
3. Merancang alat ukur portabel yang dapat menentukan kesimpulan dalam bentuk aman atau tidak air sungai tersebut dari hasil pengukuran nilai pH dan kekeruhan.
1.4 Batasan
Batasan masalah untuk perancangan alat ukur kualitas air sungai ini adalah :
1. Parameter yang digunakan adalah pH dan kekeruhan. 2. Sensor yang digunakan adalah sesnor pH dan kekeruhan.
3. Hasil yang dikeluarkan alat berupa nilai pH, kekeruhan dan kesimpulan dalam bentuk nilai aman digunakan atau tidak oleh manusia.
4. Menggunakan logika Fuzzy dengan metode Sugeno. 5. Pengujian dilakukan pada 8 titik sungai di kota Bandung. 6. Microcontroller yang digunakan adalah Arduino UNO. 7. Proses hanya sampai menampilkan hasil pada LCD. 8. Tidak membahas GPS, WiFi dan konfigurasinya.
3
1.5 Metodologi Penelitian
Langkah yang ditempuh untuk meyelesaikan tugas akhir ini antara lain: 1. Studi literatur dengan mencari dan memahami baik berupa jurnal, artikel,
laman web resmi, buku referensi, dan sumber lain yang berhubungan dengan persyaratan kualitas air, logika fuzzy metode sugeno, ardunio UNO, pH dan kekeruhan yang dirancang pada tugas akhir ini;
2. Merancang alat ukur kualitas air sungai;
3. Melakukan pengujian terhadap alat ukur kualitas air sungai tersebut pada sungai di kota bandung;
4. Menganalisa hasil uji coba yang telah dilakukan;
5. Mengambil kesimpulan terhadap hasil uji coba yang telah ditentukan.
1.6 Sistematika Penulisan
Tugas akhir ini dibagi kedalam beberapa topik bahasan yang disusun secara sistematis dan terdiri dari:
BAB I PENDAHULUAN
Berisi latar belakang, rumusan masalah, tujuan dan batasan masalah untuk alat ukur kualitas air sungai berbasis logika fuzzy metode sugeno, serta metodologi penelitian, dan sistematika penulisan tugas akhir.
BAB II DASAR TEORI
Berisi uraian dasar teori yang berhubungan dengan proses perancangan .Teori yang dipaparkan mengenai kualitas air dan parameter pH dan kekeruhan, sensor pH meter dan sensor turbidity TSD-10.
BAB III PERANCANGAN SISTEM
Berisi tentang desain secara menyeluruh meliputi perancangan perangkat keras, perancangan perangkat lunak, dan cara kerja sensor.
BAB IV PENGUJIAN
Berisi pengujian dari alat yang dirancang, pengujian alat dan data hasil pengujian.
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Berisi kesimpulan dari penilitian tugas akhir dan saran untuk pengembangan dan perbaikan pada penelitian selanjutnya.
4
BAB II
DASAR TEORI
2.1 Kualitas Air
Kualitas air adalah suatu ukuran kondisi air dilihat dari karakteristik fisik, kimiawi, dan biologisnya. Kualitas air juga menunjukkan ukuran kondisi air relatif terhadap kebutuhan biota air dan manusia. Kualitas air seringkali menjadi ukuran standar terhadap kondisi kesehatan ekosistem air dan kesehatan manusia.
Berbagai lembaga negara di dunia bersandar kepada data ilmiah dan keputusan politik dalam menentukan standar kualitas air yang diizinkan untuk keperluan tertentu. Kondisi air bervariasi seiring waktu tergantung pada kondisi lingkungan setempat. Air terikat erat dengan kondisi ekologi setempat sehingga kualitas air termasuk suatu subjek yang sangat kompleks dalam ilmu lingkungan. Aktivitas industri seperti manufaktur, pertambangan, konstruksi, dan transportasi merupakan penyebab utama pencemaran air, juga limpasan permukaan dari pertanian dan perkotaan.
2.1.1 Parameter Kualitas Air
Menurut Peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesia nomor 416/MENKES/PER/IX/1990 Persyaratan Kualitas Air Bersih terdapat banayak jenis parameter yang dipakai. Daftar parameter persyaratan kualitas air bersih terlampir. Parameter yang akan digunakan pada tugas akhir ini adalah :
2.1.1.1 pH
pH merupakan derajat keasaman yang digunakan untuk menyatakan tingkat keasaman atau kebasaan yang dimiliki oleh suatu larutan. pH didefinisikan sebagai kologaritma aktivitas ion hydrogen (H+) yang terlarut. Skala pH bukanlah
skala absolut, melainkan bersifat relatif terhadap sekumpulan larutan standar yang pH-nya ditentukan berdasarkan persetujuan internasional.
pH normal atau netral memiliki nilai 7 sementara bila nilai pH lebih dari 7 menunjukkan zat tersebut memiliki sifat basa sedangkan nilai pH kurang dari 7
5
menunjukkan sifat asam. Pada umumnya, indicator sederhana yang digunakan untuk mengetahui asam atau basanya suatu larutan adalah dengan kertas lakmus yang berubah menjadi merah bila keasamannya tinggi dan biru bila keasamannya rendah. Selain menggunakan kertas lakmus, indicator asam dan basa dapat diukur dengan pH meter yang bekerja berdasarkan prinsip elektrolit/konduktivitas suatu larutan[4].
Manusia memiliki tingkat toleransi pH yang tinggi dimana tingkat toleransi berkisar antara 4-11 dengan iritasi minimal gastrointestinal dan masih ada kekhawatiran. Nilai pH lebih besar dari 11 dapat menyebabkan iritasi kulit dan mata, seperti halnya pH di bawah 4. Nilai pH di bawah 2.5 akan menyebabkan kerusakan ireversibel pada lapisan kulit dan organ[5].
Menurut Departemen Lingkungan di Malaysia, nilai pH dari 6,5-8,5 dapat dikonsumsi dan mengenai tubuh manusia tanpa ada persyaratan. Sedangkan nilai pH dari 5-6, bisa digunakan hanya saja memerlukan syarat[6].
Menurut peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesia, kadar maksimum yang diperbolehkan untuk pH adalah 6,5-9,0.
2.1.1.2 Kekeruhan
Kekeruhan merupakan gambaran sifat optik air oleh adanya bahan padatan terutama bahan tersuspensi dan sedikit dipengaruhi oleh warna air. Bahan tersuspensi ini berupa partikel tanah liat, lumpur, koloid tanah, organisme perairan (mikroorganisme) dan lainya.
Kekeruhan air atau sering disebut turbidty adalah salah satu parameter uji fisik dalam analisis air. Tingkat kekeruhan air umumnya akan diketahui dengan besaran NTU (Nephelometer Turbidity Unit) setelah dilakukan uji aplikasi menggunakan alat turbidimeter. Apabila bahan tersuspensi ini berupa padatan organisme, maka pada batas-batas tertentu dapat dijadikan indikator terjadinya pencemaran suatu perairan. Padatan tersuspensi berkorelasi positif dengan kekeruhan, semakin tinggi padatan tersuspensi yang terkandung dalam suatu perairan maka perairan tersebut semakin keruh[7].
Menurut Departemen Lingkungan di Malaysia, nilai kekeruhan dari 0-5 dapat dikonsumsi dan mengenai tubuh manusia tanpa ada persyaratan. Sedangkan nilai
6
kekeruhan dari 6-50, dapat mengenai tubuh manusia dan penggunaannya bersyarat[6].
Menurut peraturan Menteri Kesehatan Republik Indonesia, kadar maksimum untuk yang diperbolehkan untuk kekeruhan adalah 25 NTU.
2.2 Logika Fuzzy Metode Sugeno
Logika Fuzzy adalah peningkatan dari logika Boolean yang berhadapan dengan konsep kebenaran sebagian. Saat logika klasik menyatakan bahwa segala hal dapat diekspresikan dalam istilah biner (0 atau 1, hitam atau putih, ya atau tidak), logika fuzzy menggantikan kebenaran boolean dengan tingkat kebenaran.
Logika Fuzzy memungkinkan nilai keanggotaan antara 0 hingga 1, tingkat keabuan dan juga hitam dan putih, dan dalam bentuk linguistik atau bahasa, konsep tidak pasti seperti "sedikit", "lumayan", dan "sangat". Logika ini berhubungan dengan set fuzzy dan teori kemungkinan. Logika fuzzy diperkenalkan oleh Dr. Lotfi Zadeh dari Universitas California, Berkeley pada 1965.
Secara umum dalam sistem logika fuzzy terdapat empat buah elemen dasar, yaitu[8]:
1. Basis kaidah (rule base), yang berisi aturan-aturan secara linguistik yang bersumber dari para pakar;
2. Suatu mekanisme pengambilan keputusan (inference engine), yang memperagakan bagaimana para pakar mengambil suatu keputusan dengan menerapkan pengetahuan (knowledge);
3. Proses fuzzifikasi (fuzzyfication), yang mengubah besaran tegas (crisp) ke besaran fuzzy;
4. Proses defuzzifikasi (defuzzyfication), yang mengubah besaran fuzzy hasil dari inference engine, menjadi besaran tegas (crisp).
7
Gambar 2.1 Aturan Fuzzy
Fuzzyfication
Nilai masukan bersifat pasti (crisp input) yang dikonversi ke bentuk fuzzy input yang berupa nilai linguistik yang ditentukan berdasarkan fungsi ke anggotaannya.
Inference
Aturan fuzzy dituliskan sebagai: IF antecendent THEN consequent. Dalam suatu sistem berbasis aturan fuzzy, proses inference memperhitungkan semua aturan yang ada dalam basis pengetahuan. Hasil dari proses inference direpresentasikan oleh suatu fuzzy set untuk setiap untuk setiap variable bebas (pada consequent). Derajat keanggotaan untuk setiap nilai variabel tidak bebas menyatakan ukuran kompatibilitas terhadap variabel bebas (pada antecendent)[8]. Deffuzzyfication
Proses perhitungan crisp output. Terdapat berbagai metode defuzzyfication untuk berbagai masalah, yaitu : Centroid method, Height method, First (or last) of Maxima, Mean-Max method, dan Weighted Average.
Penalaran dengan metode SUGENO output (konsekuen) sistem tidak berupa himpunan fuzzy, melainkan berupa konstanta atau persamaan linear. Metode ini
8
diperkenalkan oleh Takagi‑Sugeno Kang pada tahun 1985. Model ini menggunakan aturan yang berbentuk :
IF x1 is A1 AND…AND xn is An THEN y=f(x1,…,xn),
Dimana f bisa berupa sembarang fungsi dari variabel-variabel input yang nilainya berada dalam interval veriabel output. Biasanya, fungsi ini dibatasi dengan menyatakan f sebagai kombinasi linier dari variabel-variabel input:
f(x1,…,xn)=w0+ w1 x1+…+ wn xn,
dimana w0, w1,…, wn adalah konstanta yang berupa bilangan real yang merupakan bagian dari spesifikasi aturan fuzzy.
2.3 Sensor
Sensor merupakan suatu modul komponen elektronik yang berfungsi untuk mendeteksi atau mengukur kondisinya secara real time pada suatu lingkungan. Jenis sensor tergantung dari penggunaannya, seperti sensor asap yang berfungsi untuk mendeteksi ada atau tidaknya asap di suatu lingkungan dan sensor cahaya untuk mengukur intensitas cahaya.
Pada tugas akhir ini sensor yang digunakan adalah Analog pH meter dan Turbidity TSD-10 untuk mendapatkan nilai pH dan kekeruhan pada air sungai.
2.3.1 PH Meter
PH Meter merupakan instrumen ilmiah yang mengukur aktivitas hidrogen-ion dalam larutan berbasis air, yang menunjukkan keasaman atau basa yang dinyatakan sebagai pH.
PH Meter mengukur perbedaan potensial listrik antara elektroda pH dan elektroda referensi, sehingga pH meter bisa disebut sebagai "Potensiometri pH Meter". Perbedaan potensial listrik berhubungan dengan keasaman atau pH larutan. PH Meter digunakan dalam banyak aplikasi mulai dari percobaan laboratorium sampai kontrol kualitas[9].
9
Gambar 2.2 Analog PH Meter
2.3.2 Turbidity TSD-10
Modul TSD-10 mengukur kekeruhan (jumlah partikel tersuspensi) atau kerapatan air keruh atau konsentrasi materi asing dengan menggunakan pembiasan panjang gelombang antara transistor foto dan dioda. Dengan menggunakan transistor optik dan dioda optik, sensor optik mengukur jumlah cahaya yang berasal dari sumber cahaya ke penerima cahaya, untuk menghitung kekeruhan air[10].
Sensor beroperasi berdasarkan prinsip bahwa ketika cahaya dilewatkan melalui sampel air, jumlah cahaya yang ditransmisikan melalui sampel bergantung pada jumlah tanah di dalam air. Seiring tingkat tanah meningkat, jumlah cahaya yang dipancarkan berkurang. Sensor kekeruhan mengukur jumlah cahaya yang ditransmisikan untuk menentukan kekeruhan air[11].
10
2.4 Arduino UNO
Arduino Uno adalah papan mikrokontroler berdasarkan ATmega328 yang memiliki 14 pin input dan output digital, dimana yang 6 pin dapat digunakan sebagai output PWM, 6 pin input analog, resonator keramik 16 MHz, koneksi USB, colokan listrik, header ICSP, dan tombol reset. Pada Arduino Uno berisi semua yang dibutuhkan untuk mendukung mikrokontroler dengan cukup hubungkan ke komputer dengan kabel USB atau nyalakan dengan adaptor AC-ke-DC atau baterai untuk memulai.
Arduino Uno berbeda dari semua papan sebelumnya karena tidak menggunakan chip driver USB-to-serial FTDI. Sebagai gantinya, fitur Atmega16U2 (Atmega8U2 sampai versi R2) diprogram sebagai konverter USB-to-serial[12].
Arduino Uno dapat menggunakan catuan dari baterai atau langsung dari port USB.
Spesifikasi Arduino UNO adalah sebagai berikut.
11
Gambar 2.5 Arduino Uno
2.4.1 Catu Daya
Arduino Uno dapat diaktifkan melalui koneksi USB atau dengan catu daya eksternal yang dimana sumber daya dipilih secara otomatis.
Pada mode eksternal dengan kabel USB merupakan daya yang berasal dari catu daya port USB pada komputer (komputer personal/laptop) sebesar ±5V. Pin 5 V merupakan keluaran dari regulator pada board Arduino UNO dan Pin GND berfungsi sebagai ground[12].
Pada mode eksternal non USB merupakan daya dapat berasal baik dari adaptor AC DC atau baterai. Arduino UNO dapat beroperasi pada rentang tegangan masukan yang dianjurkan yaitu 7-12 V[12].
2.4.2 Memory
ATmega328 memiliki kapasitas memori 32 KB yang dimana 0,5 KB digunakan untuk bootloader. ATmega328 juga memiliki 2 KB SRAM dan 1 KB EEPROM (yang dapat dibaca dan ditulis dengan library EEPROM)[12].
2.4.3 Input dan Output
Masing-masing dari 14 pin digital di Arduino Uno dapat digunakan sebagai input atau output, dengan menggunakan fungsi pinMode (), digitalWrite (), dan digitalRead (). Mereka beroperasi pada 5 volt. Setiap pin dapat menyediakan atau menerima maksimum 40 mA dan memiliki resistor pull-up internal (terputus
12
secara default) 20-50 kOhms. Selain itu, beberapa pin memiliki fungsi khusus[12]:
Serial: ada pada pin 0 sebagai RX dan pin 1 sebagai TX. Digunakan untuk menerima (RX) dan mengirimkan (TX) TTL data serial.
Interupsi eksternal: pin 2 dan 3 ini dapat dikonfigurasi untukmemicu interrupt pada low value, rising edge atau falling edge,dan change in value. PWM: Pin untuk PWM ada pada pin 3, 5, 6, 9, 10, dan 11.Menyediakan
8-bit PWM output dengan analogWrite () function.
SPI: 10 (SS), 11 (MOSI), 12 (MISO), 13 (SCK). Pin ini mendukung komunikasi SPI menggunakan library SPI.
LED: 13. built-in LED terhubung ke pin digital 13. Ketika pin tersebut bernilai TINGGI, LED built-in akan menyala, Sedangkan saat pin 13 bernilai RENDAH, LED built-in akan padam.
Arduino Uno memiliki 6 input analog, berlabel A0 sampai A5, yang masing-masing menyediakan 10 bit resolusi (yaitu 1024 nilai yang berbeda). TWI: A4 atau SDA pin dan A5 atau SCL pin. Mendukung komunikasi TWI
menggunakan wire library.
AREF : Tegangan referensi untuk input analog. Digunakan dengan analog Reference ().
2.4.4 Komunikasi
Arduino Uno memiliki sejumlah fasilitas untuk berkomunikasi dengan komputer, Arduino lain, atau mikrokontroler lainnya. ATmega328 menyediakan komunikasi serial UART TTL (5V), yang tersedia pada pin digital 0 (RX) dan 1 (TX). ATmega16U2 di papan menyalurkan komunikasi serial ini melalui USB dan muncul sebagai port com virtual ke perangkat lunak di komputer. Firmware '16U2 menggunakan driver USB COM standar, dan tidak ada driver eksternal yang diperlukan. Namun, pada Windows, file .inf diperlukan. Perangkat lunak Arduino mencakup monitor serial yang memungkinkan data tekstual sederhana dikirim ke dan dari dewan Arduino. LED RX dan TX di papan akan berkedip saat data dikirim melalui chip USB-to-serial dan koneksi USB ke komputer (tapi tidak untuk komunikasi serial pada pin 0 dan 1).
13
Sebuah perpustakaan SoftwareSerial memungkinkan komunikasi serial pada salah satu pin digital Arduino Uno.
ATmega328 juga mendukung komunikasi I2C (TWI) dan SPI. Perangkat lunak Arduino mencakup perpustakaan Wire untuk menyederhanakan penggunaan bus I2C; Untuk komunikasi SPI, gunakanlah perpustakaan SPI[12].
2.4.5 Pemrograman
Arduino Uno dapat diprogram dengan perangkat lunak Arduino. ATmega328 di Arduino Uno sudah dilengkapi dengan bootloader yang memungkinkan mengunggah kode baru ke dalamnya tanpa menggunakan pemrogram perangkat keras eksternal. Cara lainnya untuk memprogram mikrokontroler adalah dengan melalui header ICSP (In-Circuit Serial Programming) menggunakan Arduino ISP atau yang serupa[12].
