RANCANG BANGUN SISTEM MONITORING KUALITAS UDARA PADA GAS SULFUR DIOKSIDA (SO2), PARTICULATE MATTER (PM2,5),
SUHU DAN KELEMBAPAN MENGGUNAKAN SENSOR MQ-136, GP2Y1010AU0F, DAN DHT22 BERBASIS MIKROKONTROLER
NODEMCU-ESP32
Skripsi Oleh
PUTU BAGUS RADITYA
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG 2022
i ABSTRAK
RANCANG BANGUN SISTEM MONITORING KUALITAS UDARA PADA GAS SULFUR DIOKSIDA (SO2), PARTICULATE MATTER (PM2,5),
SUHU DAN KELEMBAPAN MENGGUNAKAN SENSOR MQ-136, GP2Y1010AU0F, DAN DHT22 BERBASIS MIKROKONTROLER
NODEMCU-ESP32
Oleh
PUTU BAGUS RADITYA
Penelitian mengenai pembuatan instrumentasi berupa perangkat untuk memonitoring kualitas udara telah banyak dilakukan dan dikembangkan dengan beberapa keluaran parameter dan sensor yang berbeda. Penelitian ini telah merealisasikan sebuah instrument berbentuk perangkat yang dapat digunakan untuk memonitoring dan mengukur parameter sulfur dioksida (SO2), partikulat matter (PM2,5), suhu dan kelembapan di udara. Perangkat alat menggunakan mikrokontroler NodeMCU-ESP32 dengan masukan berupa sensor MQ-136 untuk membaca parameter SO2, sensor GP2Y1010AU0F untuk membaca parameter PM2,5, dan sensor DHT22 untuk membaca parameter suhu dan kelembapan.
Keluaran perangkat yang dihasilkan berupa nilai setiap parameter yang tersimpan pada data logger dan ditampilkan pada panel DMD P10 secara realtime.
Berdasarkan hasil pengujian alat monitoring diperoleh nilai rata-rata akurasi sebesar 98,91%, rata-rata error sebesar 1,09%, dan rata-rata presisi sebesar 93,13%
dengan ketidakpastian bentangan (U95) sebesar ±60,87 µg/m3pada parameter SO2. Pembacaan PM2,5 memperoleh nilai rata-rata akurasi sebesar 95,30%, rata-rata error sebesar 4,70%, dan rata-rata presisi sebesar 91,67% dengan ketidakpastian bentangan (U95) sebesar ±0,03 µg/m3. Pembacaan suhumemperoleh nilai rata-rata akurasi sebesar 99,64%, rata-rata error sebesar 0,36%, dan rata-rata presisi sebesar 99,67% dengan rata-rata ketidakpastian bentangan (U95) sebesar ±0,38 oC.
Pembacaan kelembapan memperoleh nilai rata-rata akurasi sebesar 99,66%, rata- rata error sebesar 0,44%, dan rata-rata presisi sebesar 99,35% dengan rata-rata ketidakpastian bentangan (U95) sebesar ±1,48%. Perangkat yang telah direalisasikan dapat bekerja dalam memonitoring kualitas udara sesuai dengan rancangan pembuatan.
Kata Kunci: Data logger, DHT22, GP2Y1010AU0F, MQ-136, dan NodeMCU- ESP32.
ii ABSTRACT
DESIGN AND CONSTRUCTION OF AIR QUALITY MONITORING SYSTEM ON SULFUR DIOXIDE (SO2), PARTICULATE MATTER
(PM2.5), TEMPERATURE, AND HUMIDITY USING MQ-136, GP2Y1010AU0F, AND DHT22 SENSORS BASED
MICROCONTROLLER NODEMCU-ESP32
By
PUTU BAGUS RADITYA
Research on the manufacture of instruments in the form of devices to monitor air quality has been carried out and developed with several different output parameters and sensors. This research has realized an instrument in the form of a device that can be used to monitor and measure parameters of sulfur dioxide (SO2), particulate matter (PM2,5), temperature, and humidity in the air. The device uses a NodeMCU- ESP32 microcontroller with input in the form of an MQ-136 sensor to read SO2
parameters, a GP2Y1010AU0F sensor to read PM2,5 parameters, and a DHT22 sensor to read temperature and humidity parameters. The resulting device output is the value of each parameter stored in the data logger and displayed on the DMD P10 panel in real time. Based on the results of the monitoring tool testing, the average accuracy value is 98.91%, the average error is 1.09%, and the average precision is 93.13% with a stretch uncertainty (U95) of ±60.87 µg/m3 on SO2
parameters. PM2.5 readings get an average accuracy value of 95.30 %, an average error of 4.70%, and an average precision of 91.67% with a stretch uncertainty (U95) of ±0.03 µg/m3. Temperature readings obtained an average accuracy value of 99.64%, an average error of 0.36%, and an average precision of 99.67% with an average uncertainty of stretch (U95) of ±0.38 oC. The humidity reading obtained an average accuracy value of 99.66%, an average error of 0.44%, and an average precision of 99.35% with an average uncertainty of stretch (U95) of ±1.48%.
Devices that was realized could work in monitoring air quality in accordance with the manufacturing design.
Keywords: Data logger, DHT22, GP2Y1010AU0F, MQ-136, and NodeMCU- ESP32.
RANCANG BANGUN SISTEM MONITORING KUALITAS UDARA PADA GAS SULFUR DIOKSIDA (SO2), PARTICULATE MATTER (PM2,5),
SUHU DAN KELEMBAPAN MENGGUNAKAN SENSOR MQ-136, GP2Y1010AU0F, DAN DHT22 BERBASIS MIKROKONTROLER
NODEMCU-ESP32
Oleh
PUTU BAGUS RADITYA
Skripsi
Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar SARJANA SAINS
Pada Jurusan Fisika
Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS LAMPUNG
BANDAR LAMPUNG 2022
iv
LEMBAR PENGESAHAN
Judul Skripsi : RANCANG BANGUN SISTEM MONITORING KUALITAS UDARA PADA GAS SULFUR DIOKSIDA (SO2), PARTICULATE MATTER (PM2,5), SUHU DAN KELEMBAPAN
MENGGUNAKAN SENSOR MQ-136,
GP2Y1010AU0F, DAN DHT22 BERBASIS MIKROKONTROLER NODEMCU-ESP32
Nama Mahasiswa : Putu Bagus Raditya Nomor Pokok Mahasiswa : 1817041070
Jurusan : Fisika
Fakultas : Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam MENYETUJUI
1. Komisi Pembimbing
Dr. Junaidi, S.Si., M.Sc. Arif Surtono, S.Si., M.Si., M.Eng.
NIP. 198206182008121001 NIP. 197109092000121001
2. Kepala Jurusan
Gurum Ahmad Pauzi, S.Si., M.T.
NIP. 198010102005011002
v
MENGESAHKAN
1. Tim Penguji
Ketua : Dr. Junaidi, S.Si., M.Sc.
...
Sekretaris : Arif Surtono, S.Si., M.Si., M.Eng.
...
Penguji
Bukan Pembimbing : Gurum Ahmad Pauzi, S.Si., M.T.
...
2. Dekan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam
Dr. Eng. Suripto Dwi Yuwono, M.T.
NIP. 197407052000031001
Tanggal Lulus Ujian Skripsi: 02 Desember 2022
vi
PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatakan bahwa di dalam skripsi ini tidak terdapat karya orang lain dan tidak terdapat pendapat atau karya yang ditulis oleh orang lain kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini sebagaimana disebutkan dalam daftar pustaka, selain itu saya menyatakan pula bahwa skripsi ini dibuat oleh saya sendiri.
Apabila pernyataan ini tidak benar maka saya bersedia dikenai sangsi sesuai dengan hukum yang berlaku.
Bandar Lampung, 02 Desember 2022
Penulis,
Putu Bagus Raditya
NPM. 1817041070
vii
RIWAYAT HIDUP
Penulis bernama lengkap Putu Bagus Raditya, dilahirkan di Kabupaten Lampung Timur, Provinsi Lampung pada tanggal 1 Januari 2000. Penulis merupakan anak pertama dari pasangan Bapak Gede Suartayasa dan Ibu Kadek Rini.
Penulis menyelesaikan pendidikan di TK Kosgoro, Lampung Timur pada tahun 2006, SDN 1 Srigading, Lampung Timur pada tahun 2012, SMPN 2 Labuhan Maringgai pada tahun 2015, dan SMAN Way Jepara Lampung Timur pada tahun 2018. Penulis diterima di Jurusan Fisika FMIPA Universitas Lampung pada tahun 2018 melalui jalur penerimaan SBMPTN. Penulis menyelesaikan Praktik Kerja Lapangan (PKL) di CV. Jasa Sukses Abadi, dengan judul “Analisis Perbandingan Kalibrasi Oil Pressure Gauge dan Digital Prassure Gauge (Standard) Menggunakan Alat Bantu Hydraulic Pressure Test Pump”.
Penulis juga melakukan pengabdian terhadap masyarakat dengan mengikuti program kuliah kerja nyata (KKN) Universitas Lampung tahun 2021 di Desa Karang Anyar, Kecamatan Labuhan Maringgai, Lampung TImur. Dalam bidang organisasi penulis sebagai Kepala Bidang Kaderisasi HIMAFI FMIPA UNILA periode 2020.
viii
MOTTO
“Terus melangkah walaupun tak terlihat, karena disetiap langkah kita akan menjadi baris dari cerita hidup”
(PBR)
“What you get in life is what you have the courage to ask for”
(Oprah Winfrey)
"Lakukan semua yang harus Anda lakukan, tetapi tidak dengan ego, bukan dengan nafsu, bukan dengan iri hati tetapi dengan cinta, kasih
sayang, kerendahan hati, dan pengabdian."
(Sri Krishna)
“Mereka yang arif bijaksana tidak bersedih jika mengalami kesusahan, tidak bergirang hati jika memperoleh kesenangan, tidak digelapkan hatinya oleh kemarahan, ketakutan dan kedukaan hati; mereka yang
bijak tetap tenang dan jernih hatinya dalam berbagai situasi”
(Sarasamuccaya Sloka 505)
ix
PERSEMBAHAN
Dengan Penuh Rasa Syukur KepadaIda Sang Hyang Widhi Wasa, karya ini dipersembahkan kepada :
Kedua Orang Tuaku
Bapak Gede Suartayasa & Ibu Kadek Rini
Terimakasih untuk segala do’a dan usaha yang selalu diberikan demi kesuksesan putranya hingga mampu meyelesaikan pendidikan di tingkat Universitas sebagai Sarjana Fisika
Keluarga Besar & Teman-teman
Terimakasih atas segala dukungan yang telah diberikan sehingga dapat tetap bertahan dalam keadaan suka maupun duka
Almamater Tercinta UNIVERSITAS LAMPUNG
x
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis haturkan kepada Ida Sang Hyang Widhi Wasa atas segala rahmat dan karunia yang diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Rancang Bangun Sistem Monitoring Kualitas Udara pada Gas Sulfur Dioksida (SO2), Particulate Matter (PM2,5), Suhu dan Kelembapan Menggunakan Sensor MQ-136, GP2Y1010AU0F, dan DHT22 Berbasis Mikrokontroler NodeMCU-ESP32” yang merupakan syarat untuk meraih gelar Sarjana Sains (S.Si.) pada bidang Instrumentasi Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung. Skripsi ini membahas tentang rancang bangun alat monitoring kualitas udara dengan multy sensor berbasis mikrokontroler NodeMCU- ESP32. Pada skripsi ini dilakukan uji kalibrasi sensor dan alat monitoring menggunakan alat standar spektrofotometer, air quality detector Model: VT-6IN1 dan termohygrometer.
Pada penulisan skripsi ini, penulis menyadari bahwa masih terdapat kekurangan baik dalam isi maupun cara penyajian. Oleh karena itu, penulis mengharapkan kritik dan saran guna perbaikan di masa mendatang. Akhir kata semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi penulis khususnya dan bagi pembaca umumnya. Svaha.
Bandar Lampung, 02 November 2022
Putu Bagus Raditya
xi
SANWACANA
Puji syukur penulis panjatkan kepada Ida Sang Hyang Widhi Wasa yang telah memberi asung kerta wara nugrahanya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi yang berjudul “Rancang Bangun Sistem Monitoring Kualitas Udara pada Gas Sulfur Dioksida (SO2), Particulate Matter (PM2,5), Suhu dan Kelembapan Menggunakan Sensor Mq-136, GP2Y1010AU0F, dan DHT22 Berbasis Mikrokontroler NodeMCU-ESP32”. Pada kesempatan ini dengan segala kerendahan hati, penulis ingin menyampaikan terimakasih kepada pihak- pihak yang turut membantu. Penulisan skripsi ini tidak dapat terwujud tanpa adanya bantuan dari berbagai pihak, baik berupa tenaga maupun pemikiran. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis haturkan terima kasih kepada:
1. Kedua orangtuaku, Bapak Gede Suartayasa dan Ibu Kadek Rini, yang telah mendoakan serta memberikan semangat dan dukungan baik berupa materi ataupun moril kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
2. Bapak Dr. Junaidi, S.Si., M.Sc. sebagai pembimbing utama yang tulus mengajari, membantu penulis, membimbing dan memberi pemahaman.
3. Bapak Arif Surtono, S.Si., M.Si., M.Eng. sebagai pembimbing kedua yang senantiasa membantu penulis, membimbing, dan memberi pemahaman.
4. Bapak Gurum Ahmad Pauzi, S.Si., M.T. sebagai dosen penguji dan sekaligus sebagai Ketua Jurusan Fisika FMIPA Universitas Lampung yang telah
xii
memberikan masukan dan koreksi dalam penyelesaian skripsi ini.
5. Bapak Drs. Syafriadi, M.Si. selaku dosen pembimbing akademik yang tulus mengajari dan membantu memberi pemahaman dan nasihat.
6. Bapak Dr. Eng. Suripto Dwi yuwono, M.T. selaku Dekan FMIPA Universitas Lampung.
7. Kedua adikku Made Bagus Sastra dan Komang Gita Laraswati yang telah mendoakan serta memberikan semangat dan dukungan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
8. Teman-teman seperjuangan Anggi Purnomo, Hauzan Khairullah, Mayola Prantica, Nur Isnaini Muna Firdausi, Ria Charoline Beru Ginting, Riftaul Kurniawati dan Yugo Chambioso yang telah membersamai, membantu, serta memberi semangat dan tempat bercerita keluh dan kesah.
9. Teman-teman diluar kampus: Komang Muliandre Utama, Wayan Adelia Putri, dan Wayan Muliastuti yang telah memberi semangat, motivasi dan menjadi tempat bercerita keluh dan kesah.
10. Teman-teman Pimpinan HIMAFI periode 2020.
11. Seluruh mahasiswa/i Jurusan Fisika FMIPA Universitas Lampung angkatan 2018, dan teman-teman yang tidak bisa saya sebutkan satu per satu.
12. Last but not least, I wanna thank me,I wanna thank me for believing in me, I wanna thank me for doing all this hard work, I wanna thank me for having no days off, I wanna thank me for, for never quitting, I wanna thank me for always being a giver, And tryna give more than I recieve, I wanna thank me for tryna do more right than wrong, I wanna thank me for just being me at all times.
xiii
Akhir kata, penulis haturkan do’a dan panjatkan rasa syukur kepada Ida Sang Hyang Widhi Wasa, semoga Hyang Widhi memberikan imbalan yang berlipat atas bantuan semua pihak dan semoga selalu dimudahkan langkah kita yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
Bandar Lampung, 02 Desember 2022
Putu Bagus Raditya
xiv DAFTAR ISI
Halaman
ABSTRAK ... i
ABSTRACT ... i
HALAMAN JUDUL ... iii
LEMBAR PENGESAHAN ... iv
MENGESAHKAN ... v
PERNYATAAN ... vi
RIWAYAT HIDUP ... vii
MOTTO ... viii
PERSEMBAHAN ... viii
KATA PENGANTAR ... x
SANWACANA ... xi
DAFTAR ISI ... xiv
DAFTAR GAMBAR ... xvi
DAFTAR TABEL ... xviii
I. PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 4
1.3 Tujuan ... 5
1.4 Batasan Masalah ... 5
II. TINJAUAN PUSTAKA ... 7
2.1 Penelitian Terkait ... 7
2.2 Teori Dasar ... 11
2.2.1 Gas Sulfur Dioksida (SO2) ... 11
2.2.2 Partikulat/Debu ... 13
2.2.3 NodeMcu ESP32 ... 14
2.2.4 Sensor DHT22 ... 15
2.2.5 Sensor GP2Y1010AU0F ... 16
2.2.6 Sensor MQ-136 ... 18
2.2.7 Modul Dot Matrix Display P10 (DMD P10) ... 19
xv
2.2.8 RTC DS3231 ... 21
2.2.9 Modul MicroSD ... 22
2.2.10Teori Ketidakpastian ... 23
III. METODELOGI PENELITIAN ... 28
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian ... 28
3.2. Alat dan Bahan ... 28
3.3. Prosedur Penelitian ... 29
3.3.1 Desain dan Perancangan Alat ... 33
3.3.2 Skematik Rangkaian Sensor dan Data Logger ... 35
3.3.3 Pengujian Alat Monitoring ... 36
IV. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN ... 40
4.1 Perangkat Keras Sistem Monitoring ... 40
4.2 Pengujian dan Kalibrasi Alat Monitoring ... 43
4.2.1 Kalibrasi sensor DHT22 ... 43
4.2.2 Kalibrasi sensor GP2Y1010AU0F ... 46
4.2.3 Kalibrasi sensor MQ-136 ... 51
4.2.4 Pengujian modul RTC DS3231 ... 57
4.2.5 Pengujian data logger... 58
4.2.6 Pengujian modul dot matrix display P10 (DMD P10) ... 59
4.2.7 Pengujian nilai data logger terhadap nilai DMD P10 ... 60
4.3 Spesifikasi Perangkat ... 61
4.4 Realisasi Alat Sistem Monitoring ... 62
V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 66
5.1 Kesimpulan ... 66
5.2 Saran ... 67 DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
xvi
DAFTAR GAMBAR
Halaman Gambar 2.1 Kontribusi ketidakpastian pengukuran untuk nilai suhu
termohygrometer pada suhu ruangan (a) 25 °C dan (c) 28 °C.
Nilai kelembapan termohygrometer pada suhu ruangan (b)
25 °C dan (d) 28 °C ... 8
Gambar 2.2 Nilai rata-rata konsentrasi gas polutan terukur di lima jalan raya ... 10
Gambar 2.3 ESP32 Pin Layout... 15
Gambar 2.4 Pin layout DHT22... 15
Gambar 2.5 Skematik pada sensor GP2Y1010AU0F ... 17
Gambar 2.6 Gambar sensor MQ-136 beserta skematiknya ... 18
Gambar 2.7 (a) Skematik rangkaian DMD P10 dan (b) tampilan DMD P10 tampak belakang ... 20
Gamabr 2.8 Konfigurasi pin RTC DS3231 ... 22
Gambar 2.9 Modul Mikro SD Card Adapter ... 23
Gambar 3.1 Flowchart perancangan alat ... 30
Gambar 3.2 Diagram Blok sistem monitoring ... 31
Gambar 3.3 Desain alat sistem monitoring (a) Tampak depan dan (b) Tampak belakang... 33
Gambar 3.4 Desain alat sistem monitoring ... 34
Gambar 3.5 Skematik rangkaian sensor dan data logger ... 35
Gambar 3.6 Grafik hasil pengujian alat sistem monitoring ... 39
xvii
Gamabr4.1 Realisasi sistem monitoring kualitas udara (a) tampak depan
dan (b) tampak belakang ... 40
Gambar 4.2 Sensor box ... 41
Gambar 4.3 Skematik rangkaian kabel DMD ... 42
Gambar 4.4 Grafik nilai (a) suhu dan (b) kelembapan alat monitoring terhadap termohygrometer disetiap pengulangan ... 44
Gambar 4.5 Grafik linearitas nilai tegangan sensor terhadap nilai PM2,5 terukur... 48
Gambar 4.6 Grafik nilai PM2,5 alat monitoring dan nilai PM2,5 alat standar disetiap pengulangan ... 50
Gambar 4.7 Grafik nilai analog sensor MQ-136 terhadap nilai yang ukur pada alat standar. ... 53
Gambar 4.8 Grafik nilai SO2 alat monitoring dan nilai SO2 pada alat standar dalam 10 kali pengulangan ... 55
Gambar 4.9 Hasil pengujian modul RTC DS3231 ... 58
Gambar 4.10 Hasil pengujian modul micro SD dan micro SD card ... 59
Gambar 4.11 Hasil pengujian empat panel DMD P10 ... 60
Gambar 4.12 Data hasil monitoring pada parameter SO2, PM2,5, suhu dan kelembapan ... 61
Gambar 4.13 Grafik hasil 6 hari monitoring pada parameter (a) SO2 (µg/m3), (b) PM2,5 (µg/m3), (c) suhu (oC) dan (d) kelembapan (%). ... 63
xviii
DAFTAR TABEL
Halaman
Tabel 2.1 Datasheet spesifikasi teknis sensor DHT22 ... 16
Tabel 2.2 Keterangan pin sensor GP2Y1010AU0F ... 18
Tabel 2.3 Spesifikasi sensor MQ-136 ... 19
Tabel 2.4 Karakteristik layer DMD P10 ... 21
Tabel 2.5 Karakteristik tegangan DMD P10 ... 21
Tabel 3.1 Jenis-jenis sensor berserta fungsi yang digunakan ... 28
Tabel 3.2 Data pengujian dan kalibrasi parameter SO2... 37
Tabel 3.3 Data pengujian dan kalibrasi parameter PM2,5 ... 37
Tabel 3.4 Data pengujian dan kalibrasi pada parameter suhu. ... 37
Tabel 3.5 Data pengujian dan kalibrasi pada parameter kelembapan ... 38
Tabel 3.6 Data monitoring kualitas udara ... 39
Tabel 4.1 Hasil nilai ketidakpastian pada parameter suhu dan kelembapan alat monitoring ... 46
Tabel 4.2 Hasil nilai ketidakpastian pada parameter PM2,5 alat monitoring ... 51
Tabel 4.3 Data nilai analog sensor MQ-136 terhadap nilai SO2 yang terukur pada alat spektrofotometer (µg/m3) ... 53
Tabel 4.4 Data kalibrasi pada parameter SO2 (µg/m3) alat monitoring.) ... 55
Tabel 4.5 Hasil nilai ketidakpastian pada parameter SO2 alat monitoring ... 56
Tabel 4.6 Spesifikasi alat sistem monitoring kualitas udara ... 62
1
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Pencemaran udara didefinisikan sebagai masuknya atau dimasukannya bahan kimia, energi, atau komponen lain ke udara oleh aktivitas manusia, sehingga mengakibatkan penurunan kualitas udara ke tingkat yang membahayakan kesehatan manusia (Sarudji, 2010). Aktifitas rumah tangga, pembangkit listrik, industri, lalu lintas kendaraan bermotor seperti angkutan darat, air, dan udara menjadi sumber utama pencemaran udara (Simandjuntak, 2007). Partikulat, karbon monoksida (CO), hidrokarbon (CH), timbal (Pb), natrium oksida (NOx), sulfur dioksida (SO2) dan ozon (O3) merupakan polutan-polutan pencemar udara (Rosalia dkk., 2018) dengan total suspended particulate (TSP) sebesar 44%, CH sebesar 89%, Pb sebesar 100%, dan NOx sebesar 73% pada sektor transportasi (Budiyono, 2010).
United States Environmental Protection Agency (EPA) (2021) menjelaskan bahwa emisi CO dari sektor transportasi mencapai 28,45 juta ton per tahun, atau 44,32%
dari total emisi CO. Berbagai peristiwa alam seperti kebakaran hutan, letusan gunung berapi, dan gas beracun, juga berkontribusi terhadap pencemaran udara (Yunita dkk., 2017). Polutan yang mencemari udara pada umumnya berupa gas dan asap yang berasal dari hasil proses pembakaran bahan bakar yang tidak sempurna dan hasil oksidasi dari berbagai unsur penyusun bahan bakar, salah satunya yaitu gas SO2 (Yanti dkk., 2015).
2
SO2 berdasarkan sifat kimia adalah gas yang tidak dapat dibakar, memiliki bau yang kuat, dan tidak berwarna (Sarudji, 2010) yang bersumber dari pembakaran bahan bakar fosil pada pembangkit listrik, fasilitas industri, dan transportasi (Krzyzanowski, 2012). Sektor transportasi menyumbang SO2 sebesar 2.206 ton/tahun di daerah padat penduduk (Oktavia dkk., 2020) dan pada sektor pembangkit listrik terutama Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) menyumbang SO2 sebesar 8.374,37 ton/tahun (Kramawijaya dkk., 2018). Gas SO2 merupakan polutan berbahaya bagi kesehatan (Wenas dkk., 2020) karena bersifat iritan yang dapat menyebabkan ganggunan pernapasan secara kronis (Alchamdani, 2019).
Pada kadar 5 parts per million (ppm) SO2 atau lebih dapat menimbulkan iritasi pernapasan, bahkan pada orang yang sensitif, pada kadar 1-2 ppm terjadi iritasi (Murachman, 2013) dan dengan sifat gas yang mudah larut dalam air dapat memicu produksi lendir yang berlebih yang dapat mengakibatkan terjadinya penyempitan saluran pernapasan (Achmadi, 2013).
Aktifitas pembakaran selain menghasilkan gas SO2 juga menghasilkan asap yang merupakan suspensi partikel kecil di udara yang di dalamnya terdapat kandungan partikulat (Qolik dkk., 2018), yaitu zat dengan ukuran berkisar 1 mikron sampai dengan 500 mikron yang biasa disebut dengan istilah Suspended Particulate Matter (SPM) (Putrianingsih dkk., 2019). Partikulat juga dapat menimbulkan permasalahan pernapasan yaitu terjadinya penurunan volume ekspirasi paksa dalam satu detik dan penurunan volume kapasitas vital (Harmanto, 2012). Di kota Bandar Lampung, nilai Indeks Standar Polusi Udara (ISPU) kadar partikulat menurut PP Nomor 41 Tahun 1999 berada pada kategori tidak sehat (Arissa dkk., 2017).
Dengan adanya kondisi ini, selain mengganggu kesehatan, gas SO2 dan partikulat
3
yang berlebih turut memberikan dampak perubahan suhu dipermukaan bumi yang dapat memicu terjadi pemanasan global (Tiarani dkk., 2016).
Pencegahan dampak pencemaran udara telah dilakukan beberapa peneliti dengan membangun alat untuk memonitoring kualitas udara dengan memanfaatkan teknologi sensor dan mikrokontroler. Mikrokontroler yang sering digunakan dalam pembuatan alat adalah Arduino uno sebagaimana yang dilakukan Ding dkk. (2021) dan Subagiyo dkk. (2021). Nilai yang terbaca pada alat yang dibuat menunjukkan hasil pengukuran cukup baik, meskipun alat tersebut belum diuji. Mikrokontroler yang sama juga digunakan pada penelitian yang dilakukan Utomo (2021), hanya saja diperlukan NodeMCU 8266 sebagai mikrokontroler tambahan untuk data logger nilai kadar gas metana (CH4), ammonia (NH3), dan hidrogen sulfida (H2S).
Sehingga alat tersebut masih kurang efisien karena harus menggunakan dua mikrokontroler dan hanya mendeteksi tiga parameter saja. Selain Arduino Uno, digunakan jenis mikrokontroler lain seperti STM32F4 Discovery seperti yang dilakukan oleh Wahyuni (2017)untuk memonitoringkadar gas SO2 menggunakan sensor MQ-136. Alat tersebut memiliki akurasi yang baik yaitu sebesar 94,5% dan tingkat kepercayaan 95% sebesar (0,52±0,105) ppm. Akan tetapi alat hanya menampilkan satu parameter yang divisualkan pada LCD1602 sehingga masyarakat umum belum bisa mengetahui informasi tingakat polutan yang dimonitoring dan dari segi desain, alat tidak memungkinkan untuk dipasang pada ruang terbuka.
Berdasarkan permasalahan diatas, maka dipandang perlu untuk melakukan penelitian mengenai rancang bangun sistem monitoring yang mampu mendeteksi
4
kadar gas SO2, PM2,5, suhu dan kelembapan. Dalam penelitian ini sensor yang digunakan adalah MQ-136, sensor GP2Y1010AU0F dan sensor DHT22. Sensor MQ-136 digunakan untuk mendeteksi kadar gas SO2 dalam satuan µg/m3, sensor GP2Y1010AU0F untuk mendeteksi PM2,5 pada satuan µg/m3 dan sensor DHT22 digunakan untuk mengukur temperatur dalam celsius dan kelembapan dalam persen. Mikrokontroler yang digunakan adalah NodeMCU ESP32 karena memiliki 16 pin ADC yang memungkinkan untuk menjalankan lebih dari satu sensor anolog.
Sebelum digunakan, sensor akan diuji yang bertujuan untuk mengetahui sensitifitas sensor yang akan digunakan pada alat sistem monitoring. Setelah pengujian, dilakakukan pembuatan program untuk divisualkan nilai tiap parameter pada multy dot matrix display P10 (DMD P10) dan data logger sensor enggunakan modul Mikro SD secara realtime. Setelah alat berhasil dioperasikan, dilakukan pengambilan data dan dilakukan analisis hasil.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang dijelaskan diatas, maka rumusan masalah dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Bagaimana merancang suatu sistem monitoring kadar gas sulfur dioksida (SO2), PM2,5, suhu dan kelembapan menggunakan sensor MQ-136, sensor GP2Y1010AU0F dan sensor DHT22 berbasis mikrokontroler NodeMCU ESP32?.
2. Bagaimana mengkalibrasi sensor yang mencangkup nilai koreksi, ketidakpastian bentangan (U95), dan faktor cakupan (k) pada alat sistem monitoring SO2, PM2,5, suhu dan kelembapan?.
5
3. Bagaimana mengetahui karakteristik instrumentasi yang meliputi nilai akurasi, presisi, resolusi dan error pada alat yang sudah dibuat?.
1.3 Tujuan
Tujuan yang dicapai dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Merancang suatu sistem monitoring kadar gas SO2, PM2,5, suhu dan kelembapan menggunakan sensor MQ-136, sensor GP2Y1010AU0F dan sensor DHT22 berbasis mikrokontroler NodeMCU ESP32;
2. Mengkalibrasi sensor yang mencangkup nilai koreksi, ketidakpastian bentangan (U95), dan faktor cakupan (k) pada alat sistem monitoring SO2, PM2,5, suhu dan kelembapan.
3. Mengetahui karakteristik instrumentasi yang meliputi nilai akurasi, presisi, dan error pada alat yang telah dibuat.
1.4 Batasan Masalah
Agar pembahasan tidak meluas dan menyimpang dari tujuan, sangat penting untuk menyatakan batasan masalah. Adapun batasan masalah dari sistem yang dirancang ini adalah sebagai berikut:
1. Perancangan sistem monitoring gas SO2, PM2,5, suhu dan kelembapan menggunakan sebuah mikrokontroler NodeMCU ESP32.
2. Perancangan sistem monitoring gas SO2, PM2,5, suhu dan kelembapan menggunakan sensor MQ-136, sensor GP2Y1010AU0F dan sensor DHT22.
3. Perancangan sistem monitoring gas SO2, PM2,5, suhu dan kelembapan menggunakan multy dot matrix display P10 (sering disingkat DMD P10) dan Micro SD sebagai penyimpanan data sensor-sensor.
6
4. Pengujian sistem dari rancang bangun yang telah dibuat dengan menguji keakuratan sensor.
7
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Penelitian Terkait
Banyak peneliti telah melakukan percobaan membuat alat sistem monitoring menggunakan berbagai sensor dan mikrokontroler untuk mendeteksi kadar polutan di suatu tempat. Beberapa diantaranya digunakan untuk membantu dalam pelaksanaan penelitian ini.
Wahyuni (2017) melakukan penelitian rancang bangun alat monitoring yang bertujuan untuk mendeteksi emisi kadar gas sulfur dioksida (SO2) menggunakan sensor MQ-136 dengan mikrokontroler STM32F4 Discovery. Dari alat monitoring yang telah dibangun diperoleh spesifikasi yaitu mempunyai range sebesar 0,04 hingga 1,04 dan error sebesar 5,5%, Hasil pengukuran (x) dari alat monitoring ini sebesar (0,52±0,105) ppm dengan menggunakan faktor cakupan sebesar 2,196 dan confidence level (CL) 95%. Alat monitoring ini dilengkapi dengan teknologi SMS Gateway guna untuk memberitahukan peringatan dini yang terhubung ke pengguna mobile. Alat monitoring ini juga menggunakan Real Time Clock (RTC) sehingga penyimpanan data logger sesuai dengan waktu yang sebenarnya.
Satya dkk. (2019) merancang sebuah termohygrometer menggunakan sensor DHT22 dengan mikrokontroler Arduino uno dan keluaran pada Licquid cristal
8
display (LCD). Tujuan dari peneltian yaitu memvaliditas hasil ukur instrumen yang dibuat. Metode yang digunakan mencangkup tiga tahap diantaranya membuat rancangan perangkat keras, perancangan perangkat lunak dan pengujian sistem. Pengujian dilakukan dengan menganalisis nilai ketidakpastian dan ralat hasil ukurnya pada suhu ruangan. Pada penelitian ini diperoleh nilai ketidakpastian bentangan pengujian suhu dan kelembapan sebesar U95T= 0,332 °C dan U95H = 1,308 % pada suhu ruangan 25 °C. Sedangkan untuk suhu ruangan 28 °C sebesar U95T= 0.332 °C dan U95H= 1,306 %. Pada Gambar 2.1 adalah nilai ketidakpastian yang diperoleh pada suhu ruang 25 oCdan 28 oC.
Gambar 2.1 Kontribusi ketidakpastian pengukuran untuk nilai suhu termohygrometer pada suhu ruangan (a) 25 °C dan (c) 28 °C.
Nilai kelembapan termohygrometer pada suhu ruangan (b) 25 °C dan (d) 28 °C (Satya dkk., 2019).
Hasil pengujian suhu dan kelembapan udara pada sistem termohygrometer untuk suhu ruangan 25 °C adalah (24,73 ± 0,33) °C dan (48,16 ± 1,31) %. Sedangkan pada pengujian suhu dan kelembapan udara pada sistem termohygrometer untuk
9
suhu ruangan 28 °C adalah (28,22 ± 0,33) °C dan (42,59 ± 1,31) %. Nilai akurasi pengujian suhu dan kelembapan udara pada suhu ruangan 25 °C menunjukkan persentase ralat sebesar 1,34 % dan 2,72 %. Untuk pengujian suhu dan kelembapan udara pada suhu ruangan 28 °C diperoleh nilai akurasi dengan persentase ralat sebesar 1,12% dan 3,07%. Hasil analisis ketidakpastian menunjukkan bahwa instrumen yang diuji telah sesuai dengan standar pada datasheet sensor DHT22.
Lahal dkk. (2020) merancang sebuah alat monitoring yang berfungsi sebagai pemantau tingkat emisi karbon monoksida (CO) di udara. Penelitian ini dilakukan pada ruas jalan yang padat dengan lalu-lintas kendaraan bermotor di salah satu ruas jalan Kota Batam. Komponen yang digunakan pada alat monitoring ini yaitu sensor MQ-135 sebagai pendeteksi gas CO, buzzer sebagai alarm yang dapat digunakan sebagai pemberi sinyal dalam bentuk suara pada kadar CO tertentu, LCD untuk menampilkan nilai kadar CO di udara, dan Arduino uno sebagai mikrokontroler.
Pada proses perancangan alat terdapat dua tahap yaitu perancangan protype dan perancangan elektrik. Perancangan protype merupakan perancangan tempat penyimpanan semua alat yang yang sudah didesain dan dirangakai dan perancangan elektrik merupakan perancangan skematik dari rangkaian alat monitoring.
Pengujian alat dilakukan sebanyak tiga kali. Pengujian pertama dengan suasana kendaraan yang tidak ramai dan hasil yang ditampilkan oleh LCD pada alat monitoring tersebut yaitu dengan smoke level: 79 normal dan buzzer tidak aktif yang menandakan udara disekitar jalan umum tersebut masih terbilang normal.
Pengujian kedua dengan suasana kendaraan yang ramai, hasil yang di tampilkan oleh LCD pada alat monitoring tersebut yaitu dengan smoke level: 108 alert dan
10
buzzer berbunyi yang menandakan bahwa udara disekitar jalan umum tersebut sedang buruk.
Rancang bangun alat monitoring juga dilakukan oleh Jati dkk. (2013) yang berfungsi untuk mendeteksi kadar polutan karbon monoksida (CO), hidrogen sulfida (H2S) serta gas etanol di lima jalan raya di Yogyakarta yang padat dengan lalu-lintas kendaraan bermotor. Perangkat yang digunakan menggunakan sistem gas array yang terdiri dari sensor TGS6812 dan TGS2602 serta menggunakan mikrokontroler ATMega 2560. Nilai kadar gas yang dideteksi kemudian akan di tampilkan pada layar LCD. Program yang diimplementasikan dalam mikrokontroler ditulis menggunakan aplikasi Arduino IDE 1.0 dan peralatan dikalibrasi menggunakan udara bebas bersih. Pengambilan data nilai konsentrasi gas polutan dilakukan di Jalan C.Simanjuntak, Jalan Jendral Sudirman, Jalan Kyai Mojo, Jalan Lingkar Barat, dan Jalan Kaliurang yang padat kendaraan pada kondisi suhu antara 29–32 oC dan tingkat kelembapan antara 65–70%. Hasil pengukuran gas polutan ditampilkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Nilai rata-rata konsentrasi gas polutan terukur di lima jalan raya (Jati dkk., 2013).
11
Gambar 2.2 dijelaskan bahwa diperoleh nilai yang hampir sama antara satu tempat dengan tempat yang lain seperti butana, H2S, dan CO. Nilai konsentrasi gas CO2
tidak mengalami perubahan sebesar 403,96 ppm. Nilai rata-rata konsentrasi gas butana di lima jalan raya adalah 10,99 ppm. Nilai rata-rata konsentrasi gas hidrogen sebesar 8,36 ppm. Nilai rata-rata konsentrasi gas H2S sebesar 1,24 ppm. Nilai rata- rata konsentrasi gas CO sebesar 27,22 ppm. Nilai rata-rata konsentrasi gas etanol adalah 10,62 ppm. Nilai rata-rata konsentrasi gas NH3 sebesar 6,18 ppm. Nilai rata- rata konsentrasi gas NO2 di jalan raya adalah 0,022 ppm.
Ding dkk. (2021) melakukan penelitian yaitu membuat alat monitoring kadar PM2,5, suhu, dan kelembapan. Sensor yang digunakan adalah GP2Y1010AU0F sebagai pendeteksi kadar PM2,5 dan sensor SHT1X untuk mengukur suhu dan kelembapan.
Mikrokontroler yang digunakan adalah Arduino uno yang digunakan untuk mengolah data data dari sensor dan dikirimkan ke LCD1602 dan menyimpan data pada SD card. Pada sistem pengujian memiliki beberapa fungsi yang belum sempurna, Misalnya dengan menambahkan fungsi jam, kita dapat mengetahui status kualitas udara dari data yang disimpan dalam SD card dalam jangka waktu tertentu, atau dapat terhubung ke internet, sehingga status kualitas udara dari titik deteksi dapat dilihat kapan saja dan dimana saja.
2.2 Teori Dasar
2.2.1 Gas Sulfur Dioksida (SO2)
Gas sulfur dioksida (SO2) adalah salah satu gas yang berasal dari sisa pembakaran mesin diesel utamanya kendaraan bermotor, dimana dalam proses pembakaran bahan bakar fosil akan turut pula menghasilkan berbagai macam bahan kimia temasuk belerang (sulfur) dalam jumlah kecil, belerang tersebut akan bereaksi
12
dengan oksigen dan membentuk sulfur dioksida (Istantinova dkk., 2013). SO2
berdasarkan sifat kimia adalah gas yang tidak dapat dibakar, memiliki bau yang kuat, dan tidak berwarna. SO2 dapat merangsang pedas (pudgent) dan bersifat iritan dengan konsentrasi untuk merasakan indera perasa adalah 0,3-1 ppm di udara (Sarudji, 2010). Hal ini juga dijelaskan pada pasal 13 Peraturan Pemerintah Nomor 41 Tahun 1999 tentang pengendalian pencemaran udara bahwa kadar SO2 yang baik untuk kesehatan sebesar 1-100 µg/m3.
2.2.1.1 Sumber-sumber Gas Sulfur Dioksida (SO2)
Menurut Krzyzanowski (2012) sulfur dioksida (SO2) adalah gas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar fosil di pembangkit listrik, fasilitas industri, dan pada sumber bergerak seperti lokomotif, kapal, mobil, dan peralatan lainnya, serta pembakaran perumahan. Emisi dari kegiatan industri, serta interaksinya dengan meteorologi dan topografi, menyebabkan fluktuasi dispersi atmosfer yang dapat menyebabkan peningkatan konsentrasi pencemaran udara.
2.2.1.2 Dampak Pencemaran Sulfur Dioksida (SO2)
SO2 dianggap polutan yang berbahaya bagi kesehatan terutama terhadap manusia usia lanjut dan penderita yang mengalami penyakit kronis pada sistem pernafasan dan kardiovaskular yang sensitif terhadap SO2 walaupun dengan konsentrasi yang relatif rendah, misalnya 0,2 ppm atau lebih (Kristanto, 2004).
Eichert dkk. (2011) menjelaskan bahwa kehadiran SO2 sebagai polutan di udara juga dapat berdampak buruk terhadap tumbuhan apabila sudah melewati ambang toleransi dari tumbuhan. Pencemaran SO2 menimbulkan dampak yaitu kerusakan tanaman yang dapat terjadi pada kadar sebesar 0,5 ppm. Polutan masuk ke dalam
13
daun melalui stomata dan polutan yang terambil oleh stomata mempengaruhi secara langsung metabolisme dari tumbuhan termasuk pertumbuhan tumbuhan, berkurangnya kemampuan fotosintesis dan adanya bercak pada daun. Kerusakan dapat diperparah saat kelembapan udara tinggi dikarenakan sulfur dioksida berubah menjadi asam sulfat yang dapat mencuci kandungan magnesium pada daun.
Kekurangan magnesium pada daun dapat menyebabkan kerusakan pinggiran daun dan daerah diantara tulang rusuk daun.
2.2.2 Partikulat/Debu
Partikulat merupakan suatu zat dengan ukuran berkisar 1 mikron sampai dengan 500 mikron yang biasa disebut dengan istilah Suspended Particulate Matter (SPM) (Putrianingsih dkk., 2019). Partikulat halus dapat terikat dengan uap air juga dikenal sebagai kelarutan total partikulat atau partikel Total Suspended Particulates (TSP) yang merupakan bentuk pencemaran yang berbahaya. Banyak bentuk senyawaan kimia di udara terikat dalam partikel. Jumlah partikulat di udara memiliki dampak signifikan terhadap keberadaannya, semakin kecil diameternya, semakin luas penyebarannya (Sinolungan, 2009). BMKG (2022) menjelaskan tentang Informasi Konsentrasi Partikulat (PM2.,5) bahwa nilai ambang batas (NAB) partikulat PM2,5 pada udara ambien sebesar 65 𝜇𝑔/𝑚3. Pembakaran bahan bakar dari transportasi dan diikuti oleh proses-proses industri menjadi sumber partikulat yang utama (Kusminingrum dkk., 2008).
Partikulat di udara dapat terhirup oleh manusia dan dapat mengakibatkan peradangan dan paparan polusi dini pada balita, serta kerusakan jaringan yang bertahan lama, meningkatkan kemungkinan masalah pernapasan (Azhar dkk.,
14
2016). Selain terjadinya peradangan pada sistem pernapasan, partikulat juga dapat mempengaruhi kapasitas paru, kapasitas fungsi paru adalah suatu kombinasi peristiwa-peristiwa sirkulasi paru atau menyatakan dua atau lebih volume paru diantaranya kapasitas inspirasi, kapasitas sisa fungsional, kapasitas vital, dan kapasitas total paru 5800 ml (Corwin J, 2000).
2.2.3 NodeMcu ESP32
ESP32 merupakan mikrokontroler yang diperkenalkan oleh Espressive system sebagai penerus mikrokontroler ESP8266. Mikrokontroler ini sudah memiliki modul Wi-Fi bawaan, sehingga ideal untuk membangun sistem aplikasi Internet- of-Things. Dijelaskan ESP32 memiliki 34 pin general purpose input/output (GPIO), di mana fungsi yang berbeda dapat ditetapkan dengan mengkonfigurasi register yang relevan. GPIOs pada ESP32 dibagi menjadi empat kategori: digital- only, analog-enabled, capacitive-touch-enabled, dan lainnya. GPIO capasitvetouch-enabled dan analog-enabled dapat diatur sebagai GPIOs digital.
Karena modul ESP32 mencakup analog digital converter (ADC) 12-bit yang memungkinkan pengukuran pada 18 saluran (pin analog-enabled), sehingga dapat dihubungkan hingga 18 sensor ke modul ESP32. Pada Gambar 2.3 berikut adalah gambar dari pin layout ESP32.
15
Gambar 2.3 ESP32 Pin Layout (Datasheet, 2019b).
2.2.4 Sensor DHT22
DHT22 adalah sensor suhu dan kelembapan digital. Sensor DHT22 mengukur udara sekitar dan mengeluarkan sinyal pada pin data menggunakan kapasitor dan termister. DHT22 dikatakan memiliki keterbacaan yang baik berdasarkan respon cepat proses pengumpulan data dan ukurannya yang kecil, serta biaya yang murah dibandingkan dengan thermohygrometer (Abdulrazzak dkk., 2018). Pada Gambar 2.4 berikut adalah gambar dari sensor DHT22 beserta pin layout.
Gambar 2.4 Pin layout sensor DHT22 (Abdulrazzak dkk., 2018).
Vcc GRD
Data
16
Respon cepat yang baik dari DHT22 juga dibuktikan pada penelitian yang dilakukan oleh Puspasari dkk. (2020) yang menjelaskan bahwa ketika nilai dalam pengukuran suhu dan kelembapan antara sensor DHT22 dan thermohygrometer dibandingkan, diperoleh nilai kesalahan rata-rata kelembapan sebesar 2,99% dan nilai suhu sebesar -2,31%. Identifikasi nilai suhu dan kelembapan pada sensor DHT22 yang dilakukan tersebut sesuai dengan datasheet sensor DHT22 (Tabel 2.1) yaitu kelembapan yang terdeteksi harus memiliki range antara 2%-5% dan nilai suhu ±0,5 % disimpulkan dari data tersebut.
Tabel 2.1 Datasheet spesifikasi teknis sensor DHT22.
Model DHT22
Sumber daya listrik 3.3-6V DC
Sinyal keluaran Sinyal digital melalui bus tunggal Elemen pengindra Kapasitor polimer
Jangkauan operasi Kelembapan 0-100% RH; Suhu -40~80 Celcius Ketepatan Kelembapan ±2% RH (Maks ±5% RH); Suhu < ±0,5
Celcius Resolusi atau
sensitivitas
Kelembapan 0,1% RH; Suhu 0.1 Celcius Histeresis
Kelembapan
±0,3% RH
Pengulangan Kelembapan ±1% RH; Suhu ±0,2 Celcius Stabilitas jangka
panjang
±0,5% RH/tahun Periode pengindraan Rata-rata 2 detik
Dapat dipertukarkan Sepenuhnya dapat dipertukarkan
Ukuran Ukuran kecil 14*18*5.5mm; Ukuran besar 22*28*5mm
2.2.5 Sensor GP2Y1010AU0F
GP2Y1010AU0F (Optical Dust Sensor) adalah sensor optik kualitas udara yang mendeteksi partikel partikulat. Sensor ini berisi dioda pemancar inframerah dan photodioda yang ditempatkan secara diagonal untuk mendeteksi cahaya yang dipantulkan oleh partikulat di udara. Sensor menggunakan daya yang sangat kecil
17
(maksimum 20 mA, rata-rata 11 mA) dan dapat dialiri daya hingga 7 VDC. Sensor memiliki keluaran berupa tegangan analog yang sebanding dengan kepadatan partikulat, dengan sensitivitas 0.5 V /0.1 µg/m3 (Prayoga dkk., 2020). Berikut ini adalah skematik dari sensor yan dijelaskan pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Skematik pada sensor GP2Y1010AU0F (Prayoga dkk., 2020).
Untuk mengukur partikulat secara akurat, sensor GP2Y1010AU0F harus digunakan bersama dengan komponen lain. Pada sensor GP2Y1010AU0F terdapat 6 pin yang berbeda warna, yaitu: pin 1 (putih), pin 2 (kuning), pin 3 (orange), pin 4 (biru), pin 5 (hitam) dan pin 6 (merah). Pada Tabel 2.2 Berikut adalah keterangan pin sensor GP2Y1010AU0F.
Tabel 2.2 Keterangan pin sensor GP2Y1010AU0F (Prayoga dkk., 2020).
No.
Pin Sensor GP2Y1010AU0F Terhubung pada
1 V-LED (tegangan sumber LED) 3,3 V (diantara 150 Ohm)
2 LED-GRD Pin GRD
3 LED Pin Digital
4 (S-GND) GRD Pin Pin GRD
5 V0 (tegangan keluran sensor) Pin Analog 6 VCC (tegangan sumber sensor) 3,3 V
18
2.2.6 Sensor MQ-136
Sensor MQ-136 adalah suatu komponen semikonduktor yang berfungsi sebagai pengindera bau gas tin oksida (SnO2). Sensor gas MQ-136 memiliki sensitivitas tinggi terhadap sulfur dioksida (SO2) dan bisa digunakan untuk mendeteksi uap lain yang mengandung sulfur. Gambar 2.6 adalah gambar dan skematik dari sensor MQ-136 (Treska, 2013).
Gambar 2.6 Sensor MQ-136 beserta skematiknya (Treska, 2013).
Ditampilkan pada Gambar 2.6 bahwa sensor membutuhkan dua masukan tegangan: tegangan pemanas (VH) dan tegangan rangkaian (VC). VH digunakan untuk memasok suhu kerja standar ke sensor dan dapat mengadopsi daya DC atau AC, sementara VRL adalah tegangan hambatan beban RL yang seri dengan sensor.
Vc memberikan tegangan deteksi ke resistansi beban RL dan itu harus mengadopsi daya DC. Tegangan masukan yang diperlukan oleh sensor ini sebesar 5 V. Pada saat terkena gas, nilai resistansi sensor (Rs) akan berubah dan terdapat pemanas yang digunakan untuk membersihkan ruangan sensor dari kontaminasi udara luar.
Sensor ini memerlukan rangkaian sederhana, serta tegangan pemanas 5 V (power
19
heater) dan resistansi beban (load resistence). Pada Tabel 2.3 berikut menjelaskan tentang spesifikasi dari sensor MQ-136.
Table 2.3 Spesifikasi sensor MQ-136 (Treska, 2013).
Model MQ136
Jenis Sensor Semikonduktor
Enkapsulasi Standar Bakelite, Tutup logam
Target Gas Hidrogen Sulfida (gas H2S)
Rentang Deteksi 1~200 ppm
Tegangan lingkaran (VC) 24V DC
Tegangan pemanas (VH) 5.0V ± 0.1V AC atau DC Ketahanan beban (RL) Dapat disesuaikan
Tahanan panas (RH) 29Ω ±3Ω (suhu ruangan) Konsumsi pemanas (PH) 900mW
Kepekaan (S) RS (di udara) /RS (50ppm H2S) ≥3 Tegangan keluaran (∆VS) 0.5V (dalam 50ppm H2S)
Kemiringan konsentrasi (∝) 0.6 (R200ppm/Rs0ppm H2S) Temperatur Kelembapan 20oC ± 2oC ; 55%±5% RH Sirkuit uji standar VC: 5.0V ±0.1V ;
VH: 5.0V ±0.1V
Waktu pemanasan Lebih dari 48 jam
2.2.7 Modul Dot Matrix Display P10 (DMD P10)
Modul dot matrix display P10 (DMD P10) adalah tampilan LED 16x64 yang dapat digunakan baik di dalam maupun di luar ruangan. DMD P10 dapat dihubungkan dengan DMD P10 lainnya secara paralel atau seri. DMD P10 ini dapat menerima masukan dari catu daya atau dari Arduino yang terhubung langsung ke komputer. Gambar 2.7 menampilkan skematik dan pin out DMD P10 (Datasheet, 2015).
20
(a)
(b)
Gambar 2.7 (a) Skematik rangkaian DMD P10 dan (b) tampilan DMD P10 tampak belakang (Datasheet, 2015).
Terdapat beberapa IC dalam modul P10 ini yang menjalankan setiap fungsi. IC 74HC245, IC 74HC138, IC SN74HC04, IC 74HC595, dan IC APM4953 adalah lima rangkaian terintegrasi. Pada Tabel 2.4 dan Tabel 2.5 dijelaskan karakteristik layar dan tegangan dari DMD P10 (Datasheet, 2015).
21
Tabel 2.4 Karakteristik layar DMD P10.
Kode Warna PixelPitch Kepadatan Kecerahan
Ukuran Pixel LED
Mode dijalankan
Ukuran(m m)
2120 Merah 10mm 36x16 2500mcd 512 ¼ Pembacaan 32x16
2121 Kuning 10mm 36x16 5000mcd 512 ¼ Pembacaan 32x16
2122 Biru 10mm 36x16 2500mcd 512 ¼ Pembacaan 32x16
2123 Hijau 10mm 36x16 9000mcd 512 ¼ Pembacaan 32x16
2124 Putih 10mm 36x16 8500mcd 512 ¼ Pembacaan 32x16
Tabel 2.5 Karakteristik tegangan DMD P10.
Kode Warna Arus
(max)
Tegangan (max)
Rata-rata Daya
Daya (max)
2120 Merah 4A 5V 8W-10W 20W
2121 Kuning 4A 5V 8W-10W 20W
2122 Biru 4A 5V 8W-10W 20W
2123 Hijau 4A 5V 8W-10W 20W
2124 Putih 4A 5V 8W-10W 20W
2.2.8 RTC DS3231
DS3231 adalah I2C realtime clock (RTC) dengan integrated temperature compensated crystal oscillator (TCXO) dan kristal yang berbiaya rendah dan sangat akurat. Perangkat memiliki masukan berupa baterai dan dapat menjaga ketepatan waktu yang akurat bahkan ketika daya utama perangkat hilang. Dapat beroperasi pada tegangan rendah, dimana tegangan operasi modul DS3231 berada pada 2.3–5.5 V, dapat mengkonsumsi sekitar 500 nA saat menggunakan baterai
tegangan maksimum pada serial data (SDA) dan serial clock (SCL) yaitu VCC +0.3 V (Kusumah dkk., 2019).
RTC menyimpan informasi detik, menit, jam, hari, tanggal, bulan, dan tahun. Untuk bulan dengan kurang dari 31 hari, tanggal di akhir bulan secara otomatis diubah, termasuk koreksi tahun kabisat. Jam memiliki indikator AM/PM dan bekerja dalam mode 24 jam atau 12 jam. Tersedia dua alarm waktu yang dapat diprogram dan keluaran gelombang persegi yang dapat diprogram. Melalui I2C data dan alamat
22
akan diteruskan secara serial. Terdapat 6 pin yaitu VCC, GRN, SCL, SDA, SQW, dan 32K dimana 2 diantaranya yaitu SQW dan 32K tidak wajib digunakan. Pada Gambar 2.8 diperlihatkan konfigurasi dari pin RTC DS3231.
Gambar 2.8 Konfigurasi pin RTC DS3231(Kusumah dkk., 2019).
2.2.9 Modul MicroSD
Modul (MicroSD Card Adapter) adalah modul pembaca kartu MicroSD dengan antarmuka SPI melalui sistem file driver, MCU berfungsi melengkapi sistem file untuk membaca dan menulis kartu micro SD. Terdapat enam pin pada modul MikroSD (GND, VCC, MISO, MOSI, SCK, dan CS). Pin GND digunakan untuk dihubungkan ke ground, VCC dihubungkan ke catu daya, MISO, MOSI, SCK untuk bus SPI, dan CS adalah chip select signal pin (Gunawan, 2015). Gambar 2.9 adalah skematik modul MicroSD Card dan pin out.
23
Gambar 2.9 Modul Mikro SD Card Adapter (Gunawan, 2015).
2.2.10 Teori Ketidakpastian
Ketidakpastian adalah ukuran sebaran yang dapat dikaitkan dengan nilai sesuatu yang dapat diukur. Yang menghasilkan rentang yang berpusat pada nilai yang diukur, dengan nilai sebenarnya terdapat probabilitas tertentu dalam rentang tersebut.
Ketidakpastian pengukuran dibagi menjadi beberapa kategori tergantung pada metode yang digunakan untuk menghitung nilai numerik:
a) Tipe A: yang dievaluasi dengan analisis statistik dari serangkaian pengamatan.
b) Tipe B: yang dievaluasi dengan cara selain analisis statistik dari serangakaian pengamatan.
Klasifikasi komponen ketidakpastian sebagai tipe A atau tipe B tidak selalu sesuai dengan klasifikasi komponen ketidakpastian sebagai ketidakpastian acak atau sistematis (KAN, 2003).
24
Untuk menilai setiap potensi penyebab ketidakpastian penting untuk menganalisis menggunakan metode statistik (analisis tipe A) dan metode non-statistik (analisis tipe B). Berikut ini penjelasan tentang metode Analisa ketidakpastian.
a. Analisa Type A (UA)
Nilai rata-rata dan simpangan baku dapat dihitung bila pengukuran dilakukan berkali-kali. Sebaran nilai yang dapat digunakan untuk mewakili populasi lengkap dari nilai-nilai terukur dijelaskan oleh standar deviasi. Untuk tipe A ini, rumus umum untuk ketidaksetiaan dituliskan pada Persamaan (2.1).
𝑈A1 = 𝜎
√𝑛 (2.1)
Dengan 𝑈A1 adalah nilai ketidakpastian standar error, 𝜎 adalah nilai standar deviasi (simpangan baku) dan N adalah nilai banyaknya data. Standar deviasi atau simpangan baku adalah perhitungan distribusi populasi berdasarkan nilai n. Rumus simpangan baku (𝜎) dituliskan pada Persamaan (2.2).
𝜎 = √∑(𝑦𝑖 − 𝑦̅)𝑖 2
𝑛 − 1 (2.2)
Dengan nilai koreksi ke-I (𝑦𝑖), rata-rata nilai koreksi (𝑦̅), dan standard deviasi 𝑖 (𝜎). Dalam perhitungan ketidakpastian UA2, dituliskan pada Persamaan (2.3).
𝑈A2 = √𝑆𝑆𝑅
𝑛 (2.3)
Sum of Squares Residual (SSR)adalah teknik statistik yang digunakan untuk mengukur jumlah varian dalam kumpulan data yang tidak dijelaskan oleh
25
model regresi itu sendiri. Sebaliknya, ini memperkirakan varian dalam residu atau kesalahan. Nilai SSR dapat diperoleh dengan menggunakan Persamaan 2.4.
𝑆𝑆𝑅 = ∑(𝑦𝑖 − 𝑎 − 𝑏𝑥𝑖)2 (2.4)
𝑎 = 𝑦̅ − (𝑏𝑥̅) (2.5)
𝑏 = 𝑛. ∑ 𝑥𝑖𝑦𝑖 − ∑ 𝑥𝑖∑ 𝑦𝑖 𝑛. ∑ 𝑥𝑖2− (∑ 𝑥𝑖)2
(2.6)
b. Analisa Type B (UB)
Ketidakpastian standar tipe B dihitung menggunakan metode selain analisis statistik dari serangkaian pengamatan, dan biasanya didasarkan pada alasan ilmiah dan penggunaan semua data yang relevan, yang dapat mencakup:
1. Data pengukuran sebelumnya,
2. Pengalaman dengan, atau pengetahuan umum tentang. tingkah laku dan sifat instrumen dan bahan yang relevan,
3. Spesifikasi pabrik,
4. Data yang diberikan dalam sertifikat atau laporan lainnya; dan
5. Ketidakpastian yang diberikan untuk data acuan yang diambil dari data book.
Apabila alat ukur standar yang digunakan dalam laporan ini belum memiliki sertifikat kalibrasi, maka rumus yang dapat dituliskan pada Persamaan (2.7).
26
𝑈B1= 𝑈95
𝑘 (2.7)
𝑈B2 =0,5 𝑥 𝜍
√3
(2.8)
Dengan UB1 adalah nilai ketidakpastian dari alat standar, UB2 sebagai nilai ketidakpastian resolusi, U95 sebagai nilai ketidakpastian sertifikat kalibrasi, k sebagai faktor cakupan, dan 𝜍 sebagai nilai resolusi.
c. Ketidakpastian baku gabungan (UC)
Ketidakpastian baku gabungan dari hasil pengukuran, dilambangkan dengan UC, dihasilkan dengan menggabungkan ketidakpastian standar dari setiap estimasi masukan berdasarkan aproksimasi deret Taylor orde pertama dari pengukuran model. Metode untuk menggabungkan ketidakpastian yang umum digunakan sering disebut sebagai hukum propagasi ketidakpastian. Berikut ini adalah rumus umum untuk menghitung ketidakpastian baku gabungan yang dituliskan pada Persamaan (2.9).
𝑈c = √[𝑈𝐴]2+ [𝑈𝐵]2 (2.9)
d. Derajat Kebebasan Efektif (Veff)
Perhitungan kebebasan efektif dilakukan bertujuan untuk memperoleh pemelihan nilai faktor pengali yang tepat untuk distribusi Student’s t dan juga memberikan indikasi kehandalan penaksiran ketidakpastian. Rumusnya dituliskan pada Persamaan (2.10).
27
𝑉eff = (𝑈𝑐)4
∑(𝑈𝑖)4 𝑣𝑖
(2.10)
Dengan Uc adalah nilai ketidakpastian kombinasi/gabungan, ketidakpastian individual ke-I (Ui), dan Vi sebagai nilai derajat kebebasan pada ketidakpastian individual ke- I.
e. Ketidakpastian bentangan (U95)
Teknik yang diterima secara internasional memberikan tingkat kepercayaan sekitar 95% (95,45%). Nilai faktor cakupan bervariasi dengan derajat kebebasan efektif untuk tingkat kepercayaan tertentu. Rumus ketidakpastian bentangan dituliskan pada Persamaan (2.11).
𝑈95 = 𝑈𝐶𝑘 (2.11)
Dengan k = faktor cakupan.
f. Tingkat Kepercayaan (U95)
Tingkat kepercayaan merupakan tingkatan keyakinan akan keberadaan nilai sebenarnya pada suatu tindak pengukuran dengan menggunakan alat tertentu.
g. Faktor Cakupan (k)
Faktor numerik yang digunakan sebagai pengali terhadap ketidakpastian baku gabungan untuk memperoleh ketidakpastian bentangan. Faktor cakupan dicari menggunakan tabel T-Student Distribution (KAN, 2003).
28
III. METODELOGI PENELITIAN
3.1. Waktu dan Tempat Penelitian
Kegiatan penelitian terdiri dari perancangan alat sistem monitoring, pengujian dan kalibrasi sensor, pembuatan program untuk menampilkan nilai pada keluaran (dot matrix display P10 dan data logger), pengambilan data, dan analisis hasil.
Tahap perancangan, pengujian, dan pembuatan alat dilaksanakan pada bulan April 2022 sampai November 2022 di Ruang Workshop Laboratorium Fisika Dasar, Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung. Kemudian untuk pengambilan data dilakukan di lingkungan Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Lampung.
3.2. Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut.
1. Sensor digunakan untuk mendeteksi gas, suhu dan kelembapan. Tabel 3.1 menunjukan sensor gas, sensor PM2,5, suhu dan kelembapan yang digunakan dalam penelitian.
Tabel 3.1 Jenis-jenis sensor beserta fungsi yang digunakan.
Sensor Fungsi
DHT22 Untuk mendeteksi suhu dan kelembapan.
GP2Y1010AU0F Untuk mendeteksi debu.
MQ136 Untuk mendeteksi gas sulfur dioksida (SO2).
29
2. Modul Dot Matrix Display P10 (DMD P10) digunakan untuk menampilkan data yang terdeteksi pada sensor DHT2, sensor GP2Y1010AU0F dan sensor MQ136 sehingga dapat ditampilkan data berupa digital yang menunjukkan display nilai kadar SO2, PM2,5, suhu dan kelembapan.
3. NodeMCU ESP32 digunakan sebagai mikrokontroler yang mengolah data analog menjadi digital dari sensor DHT22, GP2Y1010AU0F dan sensor MQ136 serta menampilkan ke DMD P10.
4. RTC DS3231 berfungsi untuk menjalankan fungsi waktu dan kalender yang akan digunakan untuk memberi keterangan waktu pada data nilai tiap sensor pada alat sistem monitoring secara realtime.
5. Modul Micro SD adalah modul pembaca kartu Micro SD, dan antarmuka SPI melalui driver sistem file, sistem mikrokontroler untuk melengkapi kartu Micro SD membaca dan menulis file.
6. Power supply merupakan sumber tegangan yang dibutuhkan suatu rangkaian elektronika untuk bekerja. Tegangan yang dihasilkan sebesar 12 V dengan kuat arus 40 A.
3.3. Prosedur Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini mencakup beberapa langkah, dimulai dari merancang dan pembuatan alat, pengujian sensor MQ-136, sensor GP2Y1010AU0F, dan DHT22, pembuatan program untuk menampilkan nilai keluaran sensor ke panel DMD P10 serta data logger sensor secara realtime menggunakan mokrokontroler NodeMCU ESP32, membangun alat sistem monitoring kadar gas SO2, PM2,5 dan kelembapan, pengambilan data dan analisis
30
hasil. Langkah-langkah rancang bangun alat monitoring disajikan dalam flowchart yang dapat dilihat pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Flowchart perancangan alat.
31
Berikut ini adalah diagram blok rancangan alat monitoring yang akan digunakan untuk mendeteksi gas sulfur dioksida (SO2), PM2,5, suhu dan kelembapan yang diperlihatkan pada Gambar 3.2.
Gambar 3.2 Diagram blok sistem monitoring.
Masukan pada alat monitoring berupa suhu, kelambapan, sulfur dioksida (SO2) dan PM2,5. Masukan kemudian akan dideteksi oleh sensor DHT22, MQ-136, dan GP2Y1010AU0F. Sensor akan mengirimkan data berupa data analog (MQ-136, dan GP2Y1010AU0F) dan digital (DHT22) ke mikrokontroler NodeMCU ESP32. Data yang diterima oleh mikrokontroler akan ditampilkan pada panel DMD P10 dan data logger menggunakan modul Mikro SD secara realtime. Berikut ini adalah tahapan dalam pembuatan alat monitoring.
1. Tahap perancangan sistem monitoring diawali dengan membuat skematik rangkaian dan desain hardware dari sistem monitoring kadar gas SO2, PM2,5, suhu dan kelembapan.
2. Tahap pengujian dan kalibrasi sensor bertujuan untuk mengetahui kondisi dan respon sensor terhadap parameter uji. Pada tahap ini juga dilakukan konversi nilai analog sensor MQ-136 dan GP2Y1010AU0F ke bentuk satuan µg/m3
32
pada gas SO2 dan PM2,5 dengan menggunakan perhitungan persamaan regresi nilai analog dan tegangan keluaran sensor terhadap nilai standar.
a. Kalibrasi pada sensor MQ-136 dilakukan di ruang terbuka dengan membandingkan nilai tegangan sensor terhadap nilai pada alat standar.
Data yang diperoleh berupa nilai ADC sensor dan nilai pada alat standar.
b. Kalibrasi pada sensor GP2Y1010AU0F dilakukan di ruang terbuka dengan membandingkan nilai tegangan sensor terhadap nilai pada alat standar.
Data yang diperoleh berupa nilai tegangan keluaran sensor dan nilai pada alat standar. Untuk memperoleh tegangan keluaran sensor digunakan Persamaan 3.1.
𝑉𝑅𝐿 = (𝐴𝐷𝐶 𝑥 𝑉ref)
4.096 (3.1)
Dengan tegangan referensi mikrokontroler (𝑉ref) dan tegangan keluaran (𝑉𝑅𝐿) (Treska, 2013).
c. Kalibrasi pada sensor DHT22 dilakukan di ruang terbuka pada tiga titik uji suhu yaitu 27 oC, 29 oC, dan 32 oC dengan membandingkan nilai sensor DHT22 terhadap nilai pada alat standar. Pengulangan dilakukan setiap 5 detik selama 2 menit pertama dan dilakukan pengulangan sebanyak 5 kali pada menit selanjutnya yaitu menit ke 4,6,8, dan 10 pada setiap titik uji suhu.
3. Tahap pemrograman bertujuan untuk menampilkan nilai sensor SO2, PM2,5, suhu dan kelembapan yang telah dikalibrasi kedalam DMD P10 dan data
33
logger (Mikro SD) menggunakan software Arduino.CC dan mikrokontroler NodeMCU ESP32.
3.3.1 Desain dan Perancangan Alat
Pada penelitian ini didesain dan dirancang sebuah alat sistem monitoring kadar SO2, PM2,5, suhu dan kelembapan yang terdiri dari sensor gas MQ-136, sensor GP2Y1010AU0F, dan sensor DHT22 dengan mikrokontroler NodeMCU ESP32, serta keluaran pada DMD P10 dan data logger menggunakan RTC DS3231, modul MikroSD, dan SD card. Berikut ini adalah desain dari alat sistem monitoring yang disajikan pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3. Desain alat sistem monitoring (a) Tampak depan dan (b) tampak belakang.
Sensor MQ 136, Sharp GP2Y1010AU0F, DHT22, RTC DS3231, modul Micro SD dan mikrokontroler diletakan pada sensor box. DMD P10 dihubungan ke panel lainnya menggunakan kabel data DMD sehingga menjadi multi display. DMD P10 yang digunakan sebanyak empat buah. Nilai setiap parameter akan ditampilkan dengan menghubungkan NodeMCU ESP32 ke pin out DMD P10. Berikut ini merupakan penjelasan dari desain dari alat sistem monitoring yang akan digunakan
(a) (b)
