SKRIPSI
PERANCANGAN SISTEM INFORMASI BAHAYA BANJIR MENGGUNAKAN PERANGKAT GSM
OLEH
PROGRAM STUDI TEKNIK TELEKOMUNIKASI JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MAKASSAR 2015
PURWADI 105820048010
HIJRIANI MUNTU
K10582051810
2
SKRIPSI
PERANCANGAN SISTEM INFORMASI BAHAYA BANJIR MENGGUNAKAN PERANGKAT GSM
Diajukan sebagai salah satu syarat Untuk memperoleh gelar sarjana Program Studi Teknik Telekomunikasi
Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik
Disusun dan diajukan oleh
PADA
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MAKASSAR 2015
PURWADI 105820048010
HIJRIANI MUNTU
K10582051810
3
4
5 ABSTRAK
Hijriani Muntu dan Purwadi 2015. Perancangan sistem informasi bahaya banjir menggunakan perangkat GSM. Skripsi. Program Studi Teknik Telekomunikasi Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Makassar. Pembimbing Zulfajri Basri Hasanuddin dan Umar Katu.
Semakin banyaknya kawasan mengalami banjir yang berasal dari meluapnya air sungai dan kurangnya sistem kewaspadaan terhadap ketinggian permukaan air sungai dari masyarakat yang berada didekat bantaran sungai. Dengan keadaan ini penulis berharap bahwa pemanfaatan sistem kewaspadaan banjir dapat dimaanfaatkan secara maksimal oleh warga masyarakat sekitar bantaran sungai. Sistem kewaspadaan akan bajir dari luapan sungai saat ini tidak bisa bekerja dengan otomatis dan realtime untuk mengetahui ketinggian permukaan air sungai. Hal tersebut menyebabkan warga sekitar rata-rata tidak mengetahui saat permukaan sungai sudah meluap. Teknologi komunikasi saat ini sudah sangat maju berkembang dengan adanya konsep intranet maupun SMS hal ini memungkinkan dilakukan pemantauan secara jarak jauh terhadap perubahan tinggi muka air sebagai gejala bahaya banjir pada suatu area tertentu. Kelebihan dari sistem ini adalah keleluasaan untuk memantau kondisi kerawanan bencana banjir dimanapun dan kapanpun . Oleh karena itu perancangan sistem secara otomatis ini bisa mengetahui ketinggian permukaan air sungai. Perancangan sistem pemantauan ketinggian permukaan air ini memanfaatkan sensor ultrasonik yang berbasis mikrokontroler 8535 akan mengetahui ketinggian permukaan air yang dibuat dengan level-level tertentu. dengan keluaran menggunakan alarm berbasis light voice alarm yang bekerja secara real time untuk memberitahukan level ketinggian permukaan air dan memanfaatkan handphone dan liquid crystal display (LCD) untuk selalu menampilkan keadaan level air secara langsung.
Kata Kunci : Ketinggian air, sensor ultrasonik, jaringan GSM
6 KATA PENGANTAR
Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT, karena Rahmat dan Hidayah Nyalah sehingga penulis dapat menyusun skripsi ini, dan dapat kami selesaikan dengan baik.
Tugas akhir ini disusun sebagai salah pensyaratan akademik yang harus ditempuh dalam rangka penyelesaian program studi pada Jurusan Elektro Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Makassar. Adapun judul tugas akhir adalah :
“Perancangan Sistem Informasi Bahaya Banjir Menggunakan Perangkat GSM”
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam penulisan skripsi ini masih terdapat kekurangan, hal ini disebabkan penulis sebagai manusia biasa tidak lepas dari kesalahan baik itu ditinjau dari segi teknis penulis maupun dari perhitungan. Oleh karena itu penulis menerima dengan ikhlas dan senang hati segala koreksi serta perbaikan guna penyempurnaan tulisan ini agar kelak dapat bermanfaat.
Skripsi ini dapat terwujud berkat adanya bantuan, arahan, dan bimbingan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dengan segalan ketulusan dan kerendahan hati, kami mengucapkan terima kasih dan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada :
1. Bapak Hamzah Al Imran, ST, MT., sebagai Dekan Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Makassar.
2. Bapak Umar Katu, ST, MT., sebagai Ketua Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Makassar.
3. Bapak Dr. Ir. H. Zulfajri Basri Hasanuddin, M.Eng, Selaku Pembimbing I
7 dan Bapak Umar Katu, ST, MT., selaku Pembimbing II, yang telah banyak meluangkan waktunya dalam membimbing kami.
4. Bapak dan Ibu dosen serta staff pegawai di fakultas teknik atas segala waktunya telah mendidik dan melayani penulis selama mengukuti proses belajar mengajar di Universitas Muhammadiyah Makassar.
5. Ayahanda dan Ibunda yang tercinta, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya atas segala limpahan kasih sayang, doa dan pengorbanan terutama dalam bentuk materi dan menyelesaikan kuliah.
6. Saudara-saudaraku serta rekan-rekan mahasiswa fakultas teknik terkhusus angkatan 2010 yang dengan keakraban dan persaudaraan banyak membantu dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
7. Buat teman-temanku semua yang telah memberikan dukungannya. Terima kasih atas bantuan yang diberikan selama penyusunan tugas akhir kami.
Semoga semua pihak tersebut di atas mendapatkan pahala yang berlipat ganda di sisi Allah SWT dan skripsi yang sederhana ini dapat bermanfaat bagi penulis, rekan-rekan, masyarakat serta bangsa dan Negara . Aamiin.
Makassar, 16 Mei 2015
Penulis
8 DAFTAR ISI
Halaman
SAMPUL ... i
HALAMAN JUDUL ... ii
HALAMAN PENGESAHAN ... iii
ABSTRAK ... v
KATA PENGANTAR ... vi
DAFTAR ISI ... viii
DAFTAR GAMBAR ... xii
DAFTAR TABEL ... xiii
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang ... 1
B. Rumusan Masalah ... 3
C. Tujuan Penelitian ... 3
D. Manfaat Penelitian ... 3
E. Batasan Masalah... 4
F. Sistematika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA A. Definisi banjir... 5
B. Sistem Deteksi Banjir ... 7
C. Frekuensi GSM Sistem Informasi Geografis ... 9
1. Alokasi Frekuensi ... 9
2. Speech Coding ... 12
9
3. Struktur Kanal ... 13
4. Timing Advance ... 15
5. Modulasi ... 16
6. GSM Sebagai Intelligent Network (IN) ... 16
a. Arsitektur IN ... 16
b. Arsitektur Network GSM ... 17
7. Kategori Services ... 19
8. Subscriber Identity Module (SIM ) ... 20
9. Short Message Service (SMS) ... 22
10. Service Data ... 23
11. Spesifikasi Komite GSM ... 23
12. Pemancar Radio GSM ... 24
a. Modulasi GMSK ... 24
b. Kontrol Daya ... 25
13. Penerima Radio GSM ... 27
D. Sensor Ketinggian Air (Water Level Sensor ) ... 28
1. Sensor Ultrasonik ... 29
2. Sensor Efek-Hall ... 29
3. Sensor Sinar ... 30
4. Sensor Tekanan ... 30
5. Sensor Suhu ... 31
6. Sensor Kecepatan (RPM) ... 32
7. Sensor Penyandi (encoder) ... 32
10
E. Mikrokontroler ... 35
F. Port sebagai Input/Output Digital ... 39
G. Sistem Clock ... 40
H. ADC (Analog to Digital Converter) ... 40
I. Timer/Counter ... 41
J. Bahasa Pemograman BASIC AVR (BASCOM AVR) ... 41
BAB III METODOLOGI PENELITIAN A. Waktu Dan Tempat ... 43
a. Waktu ... 43
b. Tempat... 43
B. Metode Penelitian... 43
a. Metode Referensi ... 43
b. Metode Konsultasi ... 43
c. Metode Observasi... 43
C. Perancangan ... 44
D. Pemilihan Komponen ... 44
E. Langkah - Langkah Perancanagn ... 44
F. Diagram Perancangan ... 46
G. Blok Diagram ... 48
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN A. Pengukuran dan Pengujian ... 49
B. Pengujian Sensor Ultrasonik Ping ... 49
C. Pengujian Modem Wavecom ... 52
11 D. Program Pengujian Buzzer ... 60 E. Analisa... 62 F. Simulasi Alat Pendeteksi Banjir Diasumsikan pada Bendungan
Bili-Bili ... 64 G. Simulasi Alat ... 64 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan ... 67 B. Saran ... 68 DAFTAR PUSTAKA ... 69
12 DAFTAR GAMBAR
Nomor Halaman
Gambar 2.1 Band Frekuensi GSM ... 10
Gambar 2.2 Kombinasi FDMA - TDMA di dalam sistem GSM ... 11
Gambar 2.3 Struktur Frame GSM ... 13
Gambar 2.4 Perbandingan Arsiktur GSM dan IN ... 18
Gambar 2.5 Contoh Sensor Ultrasonik... 29
Gambar 2.6 Contoh Sensor Efek-Hall ... 29
Gambar 2.7 Contoh Sensor Tekanan ... 30
Gambar 2.8 Contoh Sensor Suhu ... 32
Gambar 2.9 Model sensor deteksi level air ... 33
Gambar 2.10 Diagram Waktu ... 34
Gambar 2.11 PIN AT Mega 8535 ... 37
Gambar 2.12 Diagram blok mikrokontroler AT Mega 8535 ... 39
Gambar 3.1 Diagram alir rencana penelitian ... 46
Gambar 3.2 Diagram blok aplikasi frekuensi UHF pada deteksi banjir . 48 Gambar 4.1 Pengujian sensor ulrasonik ping ... 50
Gambar 4.2 Pengujian modem Wavecom ... 53
Gambar 4.3 Gambar Alat Keseluruhan ... 63
Gambar 4.4 Gambar Kondisi Level Air Diasumsikan pada Bendungan Bili-Bili ... 65
13 DAFTAR TABEL
Nomor Halaman
Tabel 2.1 Parameter Air Interface ... 12
Tabel 2.2 Introduksi Teleservices ... 20
Tabel 2.3 Introduksi Supplementary Service ... 21
Tabel 2.4 Kelas Daya Pemancar GSM ... 26
Tabel 4.1 Perbandingan pengukuran jarak sensor ultrasonik ... 51
Tabel 4.2 Perbandingan Kecepatan Pengiriman Pesan (SMS) ... 54
14
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Banjir merupakan kata yang populer di Indonesia, khususnya pada musim hujan, mengingat hampir semua kota di Indonesia mengalami bencana banjir.
Peristiwa ini hampir setiap tahun berulang, namun permasalahan ini belum terselesaikan, bahkan cenderung meningkat, baik luasannya, kedalamannya, maupun durasinya.
Air hujan yang jatuh dapat menimbulkan permasalahan tersendiri bagi lingkungan. Dalam kondisi normal air hujan ketika jatuh ke tanah sebagian besar masuk ke dalam tanah, sebagian lainnya dialirkan, dan sebagian lainnya menguap.
Air hujan menjadi permasalahan ketika air tersebut tidak masuk ke dalam tanah (infiltrasi), tidak dialirkan dan mengakibatkan timbulnya genangan atau dalam kapasitas besarnya biasa di sebut banjir. Banjir umumnya disebabkan curah hujan yang tinggi disertai dengan tidak memadainya kapasitas sistem drainase.
Penanggulangan banjir dapat dilakukan dalam skala regional, lokal, atau bahkan spesifik pada satu unit bangunan saja. Mengantisipasi penurunan muka tanah dan banjir dengan cara menimbun halaman dan membuat tanggul-tanggul sederhana. Antisipasi banjir per unit bangunan, meskipun tampak lebih murah, namun akan mengurangi estetika kota dan tidak menyelesaikan masalah secara tuntas. Di sisi lain, ide pembuatan bangunan air dalam skala regional memerlukan investasi jutaan dolar dan penyelesaian yang multiyears hingga puluhan tahun.
Pilihan lain yang diduga cukup rasional adalah dengan membuat polder baru,
15 membuat pintu-pintu air dan atau tanggul penahan yang dapat mencegah terjadinya banjir pada lokasi-lokasi tertentu saja menurut skala prioritas. Prioritas tertinggi tentu saja diberikan pada lokasi-lokasi yang memang didominasi oleh pemukiman padat atau sentra industri.
Desain bangunan pencegah banjir tentu saja harus dikompromikan dengan instansi terkait, yaitu: Bappeda dan Dinas yang berwenang dengan masalah penataan ruang, yang mengatur tentang penggunaan ruang kota harus dievaluasi dengan mempertimbangkan fakta perubahan dan penyimpangan yang terjadi di lapangan, termasuk masalah genangan banjir. Evaluasi tersebut akan bermanfaat sebagai masukan kepada pemerintah.
Upaya-upaya untuk mengatasi banjir telah dilakukan antara lain dengan melakukan pengerukan sedimen, merehabilitasi tanggul sungai untuk menambah kapasitas tampung debit sungai, peningkatan kemampuan meresapnya air hujan dari setiap penggunaan lahan baik daerah hulu maupun hilir dan menghindari daerah rawan banjir atau bantaran sungai sebagai tempat pemukiman.
Dalam upaya mengatasi permasalahan akibat terjadinya banjir, ada beberapa cara yaitu salah satunya mengetahui sebab-sebab terjadinya banjir dan daerah sasaran banjir, yang tergantung pada karakteristik klimatologi, hidrologi, dan kondisi fisik wilayah.
Berdasarkan uraian di atas, maka salah satu sebagai pemanfaatannya adalah dengan menciptakan suatu peralatan yang mampu bekerja secara otomatis untuk membantu segala aktifitas yang diinginkan dalam memdeteksi secara dini
16 bahaya banjir dengan memanfaatkan teknologi GSM yang semakin berkembang yang pada penerapannya diasumsikan pada bendungan Bili-Bili.
B. Rumusan
Masalah
Dalam upaya pelaksanaan penelitian yang lebih terarah, maka disusun beberapa rumusan masalah berikut ini:
1. Bagaimana membuat alat sebagai deteksi dini bahaya banjir.
2. Bagaimana mengirimkan kondisi bahaya banjir dengan frekuensi UHF.
C. Tujuan
Penelitian
Untuk melanjutkan dan menindaklanjuti rumusan masalah di atas, maka ditentukanlah tujuan penelitian ini sebagai berikut:
1. Mendeteksi level ketinggian air.
2. Menerjemahkan level ketinggian air terhadap bahaya banjir.
3. Mengirimkan kondisi bahaya banjir melalui frekuensi UHF.
D. Manfaat
Penelitian
Seiring dengan berjalannya penelitian ini, maka diharapkan dapat memperoleh manfaat sebagai berikut:
1. Mengurangi korban bencana banjir baik korban jiwa, maupun harta benda.
2. Dapat memberikan informasi dan pemanfaatan peta kerawanan banjir yang digunakan dalam antisipasi terhadap bahaya banjir.
3. Sebagai bahan petimbangan pemerintah dalam mengantisipasi dan membuat strategi pengendalian banjir.
17 E. BATASAN MASALAH
Mengingat luasnya permasalahan yang ada pada tugas akhir ini, maka penulis merasa perlu untuk membatasi masalah. Perancangan, dan pengujian dari alat pendeteksi banjir mengunakan frekuensi GSM (Global System for Mobile)
F. SISTEMATIKA PENULISAN
Tugas akhir ini mempunyai susunan pembahasan sebagai berikut : BAB I : PENDAHULUAN
Terdiri dari latar belakang masalah, tujuan penelitian manfaat penelitian, batasan masalah, dan sistematika penulisan.
BAB II : TINJAUAN PUSTAKA
Berisikan tentang pokok pembahasan teori atau materi yang berdasarkan dalam pelaksanaan penelitian ini.
BAB III : METODOLOGI PENELITIAN
Berisikan tentang tempat pelaksanaan penelitian serta metode yang di terapkan dalam tugas akhir ini.
BAB IV : HASIL DAN PEMBAHASAN Berisikan tentang hasil penelitian.
BAB V : PENUTUP
Berisikan kesimpulan dan saran.
DAFTAR PUSTAKA
18
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
A. Definisi BanjirBanjir adalah suatu kondisi dimana tidak tertampungnya air dalam aluran pembuang (kali) atau terhambatnya aliran air di dalam saluran pembuang, (Suripin,”Sistem Drainase Perkotaan yang Berkelanjutan"). Banjir merupakan peristiwa alam yang dapat menimbulkan kerugian harta benda penduduk serta dapat pula menimbulkan korban jiwa. Dikatakan banjir apabila terjadi luapan atau jebolan dan air banjir, disebabkan oleh kurangnya kapasitas penampang saluran pembuang.
Banjir di bagian hulu biasanya arus banjirnya deras, daya gerusnya besar, tetapi durasinya pendek. Sedangkan di bagian hilir arusnya tidak deras (karena landai), tetapi durasi banjirnya panjang.
Beberapa karakteristik yang berkaitan dengan banjir, diantaranya :
- Banjir dapat datang secara tiba-tiba dengan intensitas besar namun dapat langsung mengalir.
- Banjir datang secara perlahan namun dapat menjadi genangan yang lama (berhari-hari atau bahkan berminggu-minggu) di daerah depresi.
- Banjir datang secara perlahan namun intensitas hujannya sedikit.
- Pola banjirnya musiman.
- Akibat yang ditimbulkan adalah terjadinya genangan, erosi dan sedimentasi.
Sedangkan akibat lainnya terisolasinya daerah pemukiman dan diperlukan evakuasi penduduk.
19 Banjir dan genangan yang terjadi di suatu lokasi diakibatkan antara lain:
- Perubahan tata guna lahan (land use) di daerah aliran sungai (DAS) - Pembuangan sampah
- Erosi dan sedimentasi
- Kawasan kumuh di sepanjang sungai/drainase - Perencanaan sistem pengendalian banjir tidak tepat - Curah hujan
- Pengaruh fisiografi/geofisik sungai
- Kapasitas sungai dan drainase yang tidak memadai - Pengaruh air pasang
- Penurunan tanah dan rob (genangan akibat pasang air laut) - Drainase lahan
- Bendung dan bangunan air
- Kerusakan bangunan pengendali banjir
Dalam skala perkotaan, faktor-faktor yang mempengaruhi terjadinya banjir adalah:
1. Topografi, kelandaian lahan sangat mempengaruhi timbulnya banjir terutama pada lokasi dengan topografi dasar dan kemiringan rendah, seperti pada kota- kota pantai. Hal in menyebabkan kota-kota pantai memiliki potensi/peluang terjadinya banjir yang besar disamping dari ketersediaan saluran drainase yang kurang memadai, baik saluran utama maupun saluran yang lebih kecil.
20 2. Areal terbangun yang luas biasanya pada kawasan perkotaan dengan tingkat pembangunan fisik yang tinggi, sehingga bidang peresapan tanah semakin mengecil.
3. Kondisi saluran drainase yang tidak memadai akibat pendangkalan, pemeliharaan kurang, dan kesadaran penduduk untuk membuangan sampah pada tempatnya masih belum memasyarakat (Utomo 2004).
Kodoatie dan Sugiyanto (2002) menyebutkan bahwa banjir terdiri atas dua peristiwa. Pertama banjir terjadi di daerah yang tidak biasa terkena banjir, dan kedua banjir terjadi karena limpasan air dari sungai karena debitnya yang besar sehingga tidak mampu dialirkan oleh alur sungai.
B.
Sistem
DeteksiBanjir
Mengingat bahwa mengatasi banjir bukan hal yang gampang, maka sistem peringatan dini ini menjadi penting, setidaknya agar kita dapat bersiap-siap jika banjir akan datang, sehingga dapat meminimalkan kerugian yang potensial akan terjadi. Untuk mengetahui secara lebih cepat datangnya banjir maka di perlukan suatu sistem peringatan dini bencana banjir yang bisa membaca tanda-tanda datangnya banjir. Di Tempo (2 Mei 2012), Pemerintah sedang mengembangkan sistem peringatan dini untuk banjir nasional. Sistem mengkombinasikan pemakaian radar pemantau awan milik BPPT untuk memprediksi hujan. Selain itu sistem dikembangkan oleh Pusair Kementerian PU bersama Deltares, lembaga penelitian serupa di Belanda, bersama BMKG. Republika (07 Des 2012), Pemerintah Provinsi DKI Jakarta terus menyempurnakan sistem peringatan dini dan sudah lama memiliki flood early warning system. Saat ini sudah ada tujuh wilayah yang sudah
21 mempunyai alat ketinggian banjir atau Peil Schaal. Kompas (15 Jan 2013), Pengembangan sistem prakiraan dan peringatan dini banjir yang lebih akurat sedang dipersiapkan. Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI) memulai dengan mengadakan pelatihan pembuatan pemodelan dampak banjir dan cara penggunaan Integrated Flood Analysis System (IFAS) dengan melibatkan pemangku kepentingan di setiap daerah dan diselenggarakan atas kerja sama International Hydrological Programme UNESCO, Asia Pacific Centre for Ecohydrology (APCE), dan International Centre for Water Hazard Risk Management (ICHARM) yang mengembangkan IFAS, yang merupakan aplikasi yang bisa diperoleh secara gratis.
Sistem peringatan bencana
Sistem Peringatan Dini Meteorologi sendiri telah dibangun BMKG untuk memantau awan yang berpotensi menimbulkan hujan lebat, angin kencang, dan naiknya tinggi gelombang laut dalam lingkup regional dan lokal. BMKG telah mengoperasikan TCWC (Tropical Cyclone Warning Center) sejak April 2008. Untuk tujuan serupa BPPT menggandeng lembaga riset Jepang-Jamstec membangun sistem radar doppler C Band di Serpong dan beberapa wilayah lain di Indonesia, seperti di Pontianak dan Samarinda. Lalu untuk menghadapi banjir di beberapa sungai di Pulau Jawa, seperti Ciliwung dan Cimanuk, pihak Departemen Pekerjaan Umum juga merintis uji coba sistem peringatan dini banjir. Departemen Kehutanan melibatkan lembaga riset terkait, seperti Lapan, BPPT, BMKG, dan Deptan, mengembangkan sistem peringatan dan pengawasan kebakaran dalam lingkup nasional. Ditetapkan potensi tingkat kemudahan penyulutan api atau fine fuel moisture code (FFMC).
Peringkat numerik dari kandungan kadar air bahan bakaran halus ini digunakan
22 sebagai indikator tersebarnya api atau kebakaran. Peringkat FFMC tinggi biasanya terjadi pada rerumputan dan bahan bakaran halus lain yang kering atau mati di wilayah terbuka. Penerapan alat deteksi dini bahaya kebakaran hutan juga dilaksanakan Pemerintah Provinsi Kalimantan Tengah bekerja sama dengan CARE International, International Research Institute for Climate and Society (IRI), dan Institut Pertanian Bogor.
Bagus Tjahjono Kapusdiklat Penanggulangan Bencana Nasional, dalam paparannya kepada Tim Komisi VIII DPR menyatakan bahwa alat deteksi dini masih kurang sehingga masih mengharapkan kearifan lokal dalam saling membantu dimasyarakat jika terjadi bencana (Mamuju Pos, 30 Desember 2014).
C. Frekuensi GSM
1. Alokasi Frekuensi
Sebagai interface radio antara Mobile Station (MS) dengan Base Transceiver Station (BTS) di dalam jaringan GSM menggunakan band frekuensi 900 Mhz dengan sistem Multiple Access gabungan FDMA/TDMA. Seluruh informasi dalam bentuk signal digital, signal voice misalnya, pada saat dipancarkan melalui interface radio berupa aliran data biner. Dengan demikian jaringan GSM adalah merupakan system radio digital. Didalam jaringan GSM, terdapat dua band frekuensi, yaitu :
- Arah Op-link, yaitu dari mobile station menuju Base Station dengan Band frekuensi: 890 MHz- 915 Mhz.
- Arah Down-link, yaitu dari Base Station menuju Mobile Station dengan Band frekuensi: 935 MHz- 960 MHz.
23 Lebar band frekuensi 25 MHz tersebut dibagi menjadi 124 pasang frekuensi carrier dengan spasi kanal 200 kHz, spasi duplex 45 MHz (sesuai dengan regulasi CEPT).
Gambar 2. 1 Band Frekuensi GSM
Setiap frekuensi carrier digunakan untuk membawa delapan physical GSM channel dimana informasi/data dipancarkan atau diterima didalam urut-urutan waktu (time sequence/TDMA).
Data di dalam physical GSM Channels (kanal-kanal TDMA) dipancarkan dalam bentuk burst di dalam time slot yang ditentukn dan dengan satu gross bitrate 271 kbit/s. Disamping digunakan untuk menyalurkan informasi voice dan signaling, burst juga berisi urut-urutan bit untuk equalizer training (test), sinkronisasi, dll.
24 Gambar 2.2 Kombinasi FDMA - TDMA didalam system GSM
Network GSM diberikan alokasi pada band frekuensi 900 MHz selebar 50 MHz yang dibagi masing-masing 25 MHz untuk kirim dan terima seperti diperlihatkan pada gambar 3.2. jarak antara frekuensi kirim dan terima (duplex spacing) adalah 45 MHz.
Pada lebar band 25 Mhz jarak antara satu kanal radio dengan yang lainnya adalah 200 Khz, sehingga pada lebar tersebut tersedia 125 kanal radio. Dalam kenyataanya jika pada satu negara terdapat lebih dari satu operator GSM maka alokasi frekuensi tersebut di atas harus dibagi-bagi lagi menurut jumlah operator dan perlu disediakan suatu guard band diantara alokasi frekuensi setiap operator, dan hal ini akan mengurangi jumlah kanal yang tersedia (< 125 kanal). Pada tabel 2.1 diperlihatkan karakteristik air interface dari GSM.
25 Table 2.1 Parameter Air Interface
Feature Parameter
Jarak antar kanal radio 200KHz
Modulasi OMSK
Rate Transmisi 270 Kbps
Jumlah kanal/ frekuensi carrier 8(16)
Rate Informasi 16 (8) Kbps
Durasi Frame TDMA 4,62 ms
Durasi time slot TDMA 0,58 ms
2. Speech Coding
Dengan pertimbangan efisiensi spektral maka sistem GSM memerlukan suatu speech codec/voice coder yang dapat memberikan suara dengan kualitas standar dengan kecepatan/rate 16 Kbps atau kurang. Speech codec yang digunakan didasarkan pada algoritma RELP coder (Residual Excited Linear Predictive} dan LTP (Long Term Predictor). Keluaran dan speech codec RELP- LTP memiliki basic rate 13 Kbps, informasi suara dikelompokkan menjadi blok- blok 20 ms sehingga dalam satu blok terdapat 260 bit. Blok-blok 260 bit tersebut dimasukkan error correcting coder. Terdapat dua error correcting coder yang digunakan yaitu block coder dan convolutional coder. Keluaran dari error correcting coder adalah blok-blok data yang mana setiap bloknya terdiri dari 456 bit. Satu blok 456 bit tersebut dibagi menjadi 8 segment 57 bit kemudian
26 dilakukan penyisipan silang (diagonal interleaving) untuk menaikkan tingkat redundancy pengiriman data melalui kanal radio.
3. Struktur Kanal
Rate transmisi data trafik (270 Kbps) memungkinkan delapan kanal dapat diakomodasikan dalam satu carrier RF (Radio frequency) tunggal, dan pada masa yang akan datang spesifikasi teknis GSM memungkinkan dua kanal trafik yang berbeda disisipkan (interleaved) pada frame TDMA yang sama. Jika hal tersebut diimplementasikan akan menggandakan kapasitas kanal trafik GSM (satu carrier RF dapat mengakomodasikan 16 kanal) dan dimungkinkan jika teknologi half-rate speech codec telah tersedia.
Gambar 2.3 Struktur Frame GSM
Seperti diperlihatkan pada gambar 2.3 satu multiframe TDMA terdiri dari 26 frame TDMA yang mana 24 frame dialokasikan untuk informasi/trafik
27 dan 2 frame (frame ke 13 dan 26) digunakan kontrol dan supervisi yang terkait dengan kanal trafik. Kanal-kanal yang terdapat pada sistem GSM adalah sebagai berikut:
Slaw Associated Control Channel (SACCH), digimakan untuk mengirimkan informasi hasil pengukuran dari MS (pada arah uplink) dan mengatur level daya pemancar serta timimg advance Ms (pada arah downlink).
Fast Associated Control Channel (FACCH), yang mencuri/menggunakan sesaat time slot yang dialokasikan untuk trafik dan digunakan untuk keperluan kontrol yang tidak teratur seperti untuk keperluan handover.
Stand Alone Decicated Control Channel (SDCCH), digunakan untuk keperluan call setup, autentikasi, updating lokasi.
Broadcast Control Channel (SCCH) hanya terdapat pada arah downlink, menyediakan informasi ke MS yaitu identitas BTS dan informasi-infonnasi lainnya yang terkait dengan cell.
Random Access Channel (RACH) hanya terdapat pada uplink saja, digunakan oleh MS untuk meng-akses network.
Access Grant Channel (AGCH) hanya terdapat pada arah downlink saja, digunakan untuk menaggapi RACH dan menentukan satu kanal SDCCH untuk keperluan call setup lebih lanjut.
Paging Channel (PCH) hanya terdapat pada arah downlink saja, yang memberikan informasi ke MS bahwa terdapat panggilan untuknya.
28 Durasi satu time slot TDMA GSM adalah 0,577 ms dan terdiri dari 148 bit dengan sela waktu (guard period) antar time slot sebesar 8,25 bit.
Informasi/trafik yang dibawa oleh satu time slot dibagi menjadi dua blok 57 bit, setiap blok berisi data yang berasal dari frame-frame speech coding yang berbeda. Sehingga diperlukan empat time slot untuk membawa data suara 20 ms dengan lengkap (456 bit data atau 8 x 57 bit selama durasi waktu 18,5 ms), durasi 1,5 ms tambahan diterapkan pada 26 frame untuk menyediakan alokasi waktu untuk dua frame kontrol dalam struktur multiframe.
Satu bit kontrol yang terdapat pada time slot TDMA digunakan sebagai tanda (Bag) untuk menunjukkan apakah blok 57 bit tersebut berisi informasi trafik atau digantikan FACCH. Pada bagian tengah dari setiap time slot terdapat 26 bit training sequence yang digunakan oleh penerima untuk melakukan setting parameter equalizer sangat penting sekali untuk mengatasi masalah multipath.
4. Timing Advance
Pada teknik TDMA dipersyaratkan bahwa semua sinyal yang berasal dari semua MS yang menggunakan satu kanal radio tunggal harus sampai di BTS pada waktu yang benar-benar tepat, dengan kata lain sinyal-sinyal tersebut tidak boleh tumpang tindih (overlap) satu dengan yang lainnya. Jika BTS menyediakan satu sinyal referensi, maka MS-MS yang berada pada jarak yang paling dekat akan memberikan tanggapan lebih awal dibandingkan MS-MS yang berada dibatas cakupan cell. Spesifikasi teknik GSM memungkinkan cakupan terjauh dari satu cell sampai dengan jarak 35 Km dari BTS. Waktu yang
29 diperlukan untuk rambatan sinyal radio dari BTS ke MS (yang berada di jarak terjauh dari BTS) kembali ke BTS lagi (round trip propagation) sepanjang 70 Km adalah 0,23 ms (230 nano detik), dan durasi tersebut merupakan panjang guard period yang harus disediakan untuk setiap time slotnya, jika hal ini diterapkan akan menjadikan sistem GSM tidak efisien. GSM mengatasi hal tersebut dengan menginformasikan ke MS seberapa besar MS tersebut harus mendahului (advance) referensi untuk transmisinya sehingga sinyal yang dikirimkan akan sampai ke BTS pada waktu yang tepat, dengan mekanisme ini maka panjang guard period dapat dikurangi sampai dengan 0,03 ms (setara alokasi waktu untuk 8,25 bit).
5. Modulasi
Modulasi yang digunakan oleh GSM adalah Gaussian Minimum-shift Keying (OMSK) perkalian bandwith-durasi bit rate (BT/Bandwith-Time product) 0,3- Modulasi OMSK memberikan effesiensi spektral yang lebih baik dibandingkan FSK.
6. GSM Sebagai Intelligent Network (IN) a) Arsitektur IN
IN merupakan suatu arsitektur network yang memindahkan database dan service spesifik dari sentral/switch ke satu atau sejumlah titik kontrol network. Alasan yang mendorong munculnya IN adalah ketidakmampuan arsitektur network saat ini untuk mendukung pengembangan dan penyediaan suatu service/layanan dengan cepat, hal
30 ini terkait dengan waktu yang dibutuhkan untuk menspesifikasikan, mengembangkan testing dan menerapkan software didalam setiap sentral dalam jaringan publik, dan waktu yang dibutuhkan untuk melengkapi setiap sentral dengan data service yang diperlukan untuk setiap service baru yang akan digelar. Untuk dapat menjadi IN maka dalam suatu network harus terdapat:
Sentral/switch yang memiliki kemampuan untuk mengontrol basic service dan bearer service, switch ini disebut sebagai Service Switching Point (SPP),
Element-element network (berupa perangkat komputer) yang memiliki kemampuan mengontrol advanced service, perangkat ini disebut Service Control Point ( SCP), dan
Elemen network yang mengontrol penggelaran service dan data- data yang terkait dengan service, disebut Service Management System (SMS).
b) Arsitektur Network GSM
GSM didesain dengan mengacu ke model IN, hal ini dapat dilihat dari hal-hal sebagai berikut:
Menerapkan arsitektur terdistribusi yang bersifat terbuka (open),
Pemisahan fungsi-fungsi switching dan kontrol service,
Penggunaan SS7 sebagai infrastruktur komunikasi signallingnya,
Seluruh interface dispensifikasikan dengan jelas, dan
Struktur networknya IN.
31 Berkaitan dengan butir terakhir perbandingan arsitektur network GSM dengan arsitektur IN dapat dilihat pada gambar 3.6 yang menunjukkan kemiripan strukturya satu dengan yang lainnya.
SSP bertanggung jawab terhadap fungsi-fungsi yang terkait dengan interfacing ke arah pengguna service. SSP juga menyediakan ilingsi kemampuan bearer (bearer capability) untuk trafik telekomunikasi dan membangkitkan service trigger yang menyebabkan suatu permintaan kontrol service (service control request) diteniskan ke SCP. Pada GSM, fungsi SSP terdapat pada MSC dan subsistem radio terkait yang bertanggung jawab menyediakan akses ke MS.
Gambar 2.4 Perbandingan Arsiktur GSM dan IN
SCP akan mengatur service trigger dan mengendalikan kelangsungan suatu panggilan berdasarkan sifat dari trigger dan program-program service yang dioperasikan di SCP. Fungsi SCP pada GSM terdapat pada HLR dan entity database GSM yang lainnya seperti VLR, AuC, EIR.
32 7. Kategori Services
GSM menyediakan service ke user/pemakai dengan ragam yang cukup banyak. Walaupun ragam service yang diberikan cukup banyak tetapi tidak semuanya diimplementasikan pada tahap awal. Suatu kelempok yang disebut GSM Memory Of Understanding (GSM MoU) yaitu kelompok yang dibentuk untuk mengkoordinasikan positioning operator-operator GSM telah menentukan target untuk introduksi/ implementasi untuk setiap service-service yang spesifik.
Dari penentuan waktu implementasi suatu service adalah untuk memberikan panduan ke vendor/pemasok sistem GSM mengeni prioritas intoduksi/
implementasi service terkait dan untuk menjamin jika pelanggan melakukan roaming maka pelanggan tersebut akan dapat menerima fasilitas service yang sama seperti yang diperoleh di network asalnya (home network-nya). GSM MoU telah menentukan empat kategori untuk introduksi El, E2, dan Eh. Kategori keempat yaitu A bersifat optional untuk operator GSM. Empat kategori introduksi service tersebut adalah sebagai berikut:
El, Service yang diintroduksi sejak awal GSM,
E2, Service yang diintroduksi akhir 1994,
Eh, Service yang diintroduksi jika half-rate coder sudah tersedia,
A, Service yang bersifat optional.
Service data asinkronus (transparan dan non-transparan) dengan kecepatan di atas 2,4 Kbps ditentukan ke kategori E2 kemudian ke Eh, sedangkan bearer services lainnya dimasukkan ke kategori A. Kategori untuk
33 teleservices diperlihatkan pada label 2.2 dan untuk supplementary services diperlihatkan pada tabel 2.2.
Tabel 2.2 Introduksi Teleservices
Service Introduksi
Telephony E 1 Kemudian Eh
Emergency call E 1 Kemudian Eh
Transparent Fax E2
SMS, mobile terminated E2
SMS, mobile originated A
Non Transparant Fax A
SMS cell broadcast A
8. Subscriber Identity Module (SIM)
Salah satu inovasi penting yang diperkenalkan oleh komite GSM adalah ide untuk menggunakan smart card dalam perangkat telepon bergerak. Smart card tersebut telah digunakan dibanyak bidang misalnya sebagai kartu ATM.
Smart card berisi microprocessor dan memory. Penerapan smart card untuk identitas pelanggan cellular (pada sistem cellular sebelumnya identitas pelanggan melekat ke perangkat pelanggan) akan menciptakan fleksibilitas untuk pelanggan, artinya pelanggan dapat menggunakan perangkat mobile GSM yang manapun dengan bebas untuk dapat melakukan dan menerima panggilan sedangkan tagihannya tetap dibebankan ke rekening pelanggan tersebut (dalam hat ini diwakili oleh SIM card). Seluruh data pribadi pelanggan seperti short- code dialing, jenis service yang diijinkan, kunci autentifikasi, dan IMSI disimpan di dalam SIM card.
34 Sebagai konsekuensi dari penerapan SIM card adalah perangat MS harus memiliki pembaca kartu (card reader) SIM di dalamnya dan setiap saat pelanggan harus selalu membawa SIM card Untuk mengatasi kekurangan tersebut maka didesain suatu SIM card yang bersifat semi permanen yang dipasangkan ke perangkat MS. Modul SIM card semi permanen sama seperti SIM card standar perbedaannya hanya terletak pada ukuran fisik kartunya lebih kecil. Dengan adanya SIM card semi permanen akan memberikan keleluasaan ke vendor untuk mendesain perangkat MS dengan ukuran yang lebih kecil lagi.
Pengamanan yang diterapkan pada SIM card adalah disediakannya fasilitas PIN (Personal Identity Number), sehingga orang yang tidak diberikan wewenang tidak akan dapat menggunakan SIM card tersebut. Kode PIN harus selalu dimasukkan setiap kali SIM card dimasukkan ke MS atau setiap kali MS diaktifkan (switch on).
Tabel 2.3 Introduksi Supplementary Service
Kode Supplementary Service Introduksi CLIP Calling Line Identification
Presentation
A CUR Calling Line Identification
Restrication
A CoLP Connected Line Identification
Presentation
A CoLR Connected Line Identification
Resttrication
A
CPU Call Forward Unconditional El
CFB Call Forward on Busy El
CFNRy Call Forward on no Reply E1
CFNRc Call Forward ion not Reachable El
CW Call Waiting E2
HOLD Call Hold E2
35
MPTY Multiparty E2
CUG Closed User Group A
AoC Advice of Charge E2
BAOC Barring Of all outgoing calls El BO1C Barring of outgoing International
calls except to home country
A
IBAIC Barring of all incoming calls El
BIC-Roam Barring of incoming calls when roaming
A
9. Short Message Service (SMS)
Salah satu feature yang menarik dari GSM adalah kemampuan untuk mengirimkan pesan data pendek (Short Message Service) sampai dengan 160 karakter alphanumeric. SMS dikirim lewat kanal signaling. Service SMS mirip seperti fungsi pager tetapi memiliki kelebihan yaitu pelanggan dapat menerima dan mengirim pesan (pelanggan dapat menanggapi pesan yang diterima).
Pada GSM terdapat dua jenis SMS yaitu :
SMS cell broadcast, dan
SMS point-to-point.
Pada SMS cell broadcast, pesan dipancarkan ke seluruh MS yang sedang aktif di satu cell yang memiliki kemampuan untuk menerima SMS. Service yang diberikan SMS ceil broadcast bersifat satu arah dan informasi yang diberikan antara lain kondisi trafik, informasi saham, dan lain-lain. Sedangkan service point-to-point memungkinkan pelanggan untuk mengirimkan pesan. Untuk dapat memberikan service SMS pada MS harus terdapat software khusus yang dapat
36 men-dekode dan menyimpan pesan. Pesan disimpan didalam SIM card dan isi pesan dapat ditampilkan pada display MS.
Service SMS memerlukan satu SMS service center yang akan menerima pesan yang dikirimkan pelanggan, mengorganisasikan, dan meneruskannya ke pelanggan yang dituju, sehingga SMS service center dalam hal ini berfungsi sebagai store and forward system.
10. Service Data
Untuk masa yang akan datang penggunaan komunikasi data melalui sistem cellular akan semakin banyak dan semakin dominan, karena network GSM berbasis teknologi digital maka akan sangat mudah untuk dapat mendukung service-service data. Service data yang dapat didukung oleh GSM meliputi komunikasi dan sinkron dan asinkron, transparan dan non transparan, dengan kecepatan data 300 bps, 1,2 Kbps, 2,4 Kbps, 4,8 Kbps, dan 9,6 Kbps.
GSM juga mendukung facsimile group 3.
11. SpesifikasiKomite GSM
Dalam menyusun spesifikasi komite GSM mempertimbangkan kesetimbangan yang baik antara faktor biaya, kemudahan instalasi dan tingkat performance yang dikehendaki.
Target desain yang diharapkan oleh komite GSM untuk subsistem radio adalah :
Keakuratan modulasi, untuk menjamin penggunaan spektral efisien dan untuk mencegah degradasi performance penerimaan karena kondisi transmisi yang buruk, maka perhatian terutama ditujukan ke faktor keakuratan frekuensi (+/- 90 Hz) dan fase (5n RMS).
37
Equalisasi Multipart, masalah kritis yang mempengaruhi performance perangkat dalam menghadapi doppler shift dan dispersi waktu (time dispertion) pada burst-burst yang dikirimkan. Equalizer dirancang untuk mengatasi doppler shift yang terjadi pada kecepatan sampai dengan 250 Km/
jam dan dispesi waktu sampai dengan 16 uS.
Kontrol daya, dirnaksudkan untuk dapat menghemat konsumsi daya di MS dan diperlukan untuk meminimalkan kemungkinan terjadinya intereferensi co-channel (dengan mengatur daya pemancar). Pada mekanisme kontrol daya diterapkan dengan mengatur daya output RF pemancar serendah mungkin untuk dapat membentuk satu link komunikasi. Kontrol daya membutuhkan perangkat radio yang dapat mengubah (naik/turun) daya keluaran dengan cepat tanpa menyebabkan switching transient.
12. PemancarRadio GSM
Persyaratan utama dari sistem GSM adalah sistem GSM harus dapat dioperasikan berdampingan (coexist) dengan sistem analog yang sudah ada di Eropa (NMT dan TAGS). Untuk memungkinkan coexsistensi tersebut maka desain GSM harus membatasi level interferest dengan sistem cellular analog.
a) Modulasi GMSK
Modulasi yang digunakan di GSM adalah GMSK dengan BT 0,3.
Pemilihan modualsi GMSK berdasarkan kompromi antara kompleksitas dan efisiensi spektral. Sebagai perbandingan tcrhadap GMSK adalah QPSK, modulasi QPSK akan memberikan penggimaan spektrum frekuensi yang lebih efisien tetapi modulasi ini akan membatasi hams menggunakan
38 penguat kelas A di pemancar karena QPSK menghasilkan amplitude yang tidak konstan (non-constant evelope) sehingga memerlukan penguat yang bersifat linear. Seperti kita ketahui bahwa kelas A merupakan kelas penguat yang tidak efisien jika dilihat dari konsumsi daya yang dibutuhkan.
GMSK dipilih karena keluarannya memiliki amplitudo konstan sehingga dapat menggunakan penguat non-linear, yaitu penguat kelas C yang dapat diterapkan di MS maupun di BTS. Penguat kelas C merupakan jenis penguat dengan konversi daya yang sangat efisien, penerapan teknik modulasi OMSK, sangat berarti karena dapat menghemat pemakaian battery di MS (waktu pemakaian battery di MS dapat lebih lama lagi).
b) Kontrol Daya
Network GSM dirancang sedemikain rupa hingga MS selalu dikendalikan oleh BSC (lewat BTS) untuk selalu menggunakan level daya pancar minimum untuk dapat melakukan komunikasi dengan BTS.
GSM menentukan delapan kelas untuk pemancar BTS untuk dapat menangani lima kelas MS seperti yang diperlihatkan pada tabel 2.4.
39 Tabel 2.4 Kelas Daya Pemancar GSM
Kelas Daya
Daya BTS (Watt)
Daya MS (Watt)
Jenis MS
1 320 20 Car mounted
2 160 8 Car mounted/ transportable
3 80 5 Hand-portable
4 40 2 Hand-portable
5 20 0,8 Hand-portable (MCN)
6
• 7
10
7 5 5
8 2,5
Daya output BTS GSM dapat dikendalikan (naik/turun) dengan step 2 dB, hal mi dilakukan untuk mendapatkan performance co-channel interface yang lebih baik dan memungkinkan frekuensi reuse lebih sering lagi. Range kontrol daya untuk MS dan BTS adalah dari level maksimum dari kelas daya outputnya sampai ke nilai minimum +13dBm dengan step 2 dB.
Perintah pengaturan daya RF MS dilakukan melalui kanal SACCH yang dipancarkan oleh BTS. MS hanya dapat diperintahkan untuk mengubah level dayanya satu step untuk durasi setiap timeslot-nya.
Pemakaian daya pemancar MS yang minimum pada saat mengakses network akan meningkatkan lama pemakaian battery dan mengurangi interferensi. Lama pemakaian battery merupakan parameter yang penting
40 untuk MS terutama jenis hand-portable karena kapasitas battery pada MS jenis hand-portable dibatasi oleh ukuran fisiknya.
13. Penerima Radio GSM
Penerima di BTS dan MS dipersyaratkan memiliki dynamic range performance sebesar 94 dB (kecuali MS jenis hand-portable sebesar 92 dB). Performansi tersebut memungkinkan penerima beroperasi pada rentang dari-10 sampai dengan-104 dBm.
Salah satu faktor pembatas utama dari perangkat GSM adalah di performance equalizer penerima. Equalizer pada penerima digunakan untuk mengatasi problem ISI (Inter Symbol Interference) dan echo yang terjadi karena multipath.
Performance kanal GSM mampu mengatasi delay lintasan sampai dengan 16 us dan pergeseran frekuensi untuk kecepatan sampai dengan 250 Km/jam (kecepatan tersebut mengacu ke kereta api tercepat Perancis TGV).
Equalisasi dilakukan dengan melakukan sinkronisasi terhadap fixed training sequence (terdiri dari 26 bit) yang berada ditengah-tengah dari satu burst/time slot. Kemudian dilakukan suatu korelasi antara training sequence yang telah diketahui polanya dengan sinyal yang diterima. Dari proses korelasi ini dapat dilakukan prediksi yang lebih baik terhadap karakteristik sinyal yang diterima dan untuk selanjutnya dilakukan langkah koreksi kesalahan bit. Sebagian vendor menggunakan Viterbi equalizer untuk mengkoreksi kesalahan ini. Proses sinkronisasi itu sendiri dapat mengkompensasi delay sampai dengan 233 second.
41 Equalizer juga harus dapat mengkompesasi efek pergeseran Doppler dari frekuensi burst yang terjadi karena pergerakan MS. Untuk BTS, pengukuran ini dilakukan oleh equalizer untuk menentukan posisi/jarak yang sebenamya terhadap BTS, dengan demikian BTS dapat memberikan perintah ke MS untuk mengubah timing advance-nya agar dapat sinkron ke time slot yang dialokasikan oleh BTS. Timing MS dapat diatur dengan rentang sampai dengan periode waktu 63 bit dalam step 1 bit (setara dengan durasi 3,7 (is), dengan demikian transmisi burst dapat diatur untuk tetap berada di dalam time slot yang telah ditentukan BTS. Seperti diketahui bahwa guard space antar time slot adalah 30 jis dan jika ditambah dengan pengaturan timing (timing advance) yang diijinkan maka nilai waktu delaynya akan sama dengan panjang lintasan 35 km.
D. Sensor Ketinggian Air (Water Level Sensor)
Sensor ketinggian air yang digunakan pada alat ini memakai prinsip Water Level Sensor yang pada prinsipnya menggunakan air sebagai penghantar tegangan 5 volt yang dihubungkan dengan driver.
Di dalam rangkaian driver terdapat IC CD4066 yang merupakan IC Quad Bilateral Switch yang didalamnya terdapat 4 sakelar yang dipicu dengan 4 input masukan. Dalam pembuatan alat ini ditentukan 4 level ketinggian sehingga memerlukan 4 sakelar yang nantinya digunakan sebagai masukan ke mikrokontroller, oleh itu di dalam driver dibutuhkan 1 IC CD4066 untuk mencukupi kebutuhan sakelar.
42 1. Sensor Ultrasonik
Sensor ultrasonik adalah sensor yang bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang suara, dimana sensor ini menghasilkan gelombang suara yang kemudian menangkapnya kembali dengan perbedaan waktu sebagai dasar penginderaannya. Perbedaan waktu antara gelombang suara dipancarkan dengan ditangkapnya kembali gelombang suara tersebut adalah berbanding lurus dengan jarak atau tinggi objek yang memantulkannya. Jenis objek yang dapat diindera diantarannya adalah: objek padat, cair, butiran, maupun tekstil.
Gambar 2.5 Contoh Sensor Ultrasonik 2. Sensor Efek-Hall
Sensor efek-hall, dirancang untuk merasakan adanya objek magnetis dengan perubahan posisinya. Perubahan medan magnet yang terus menerus menyebabkan timbulnya pulsa yang kemudian dapat ditentukan frekuensinya, sensor jenis ini biasa digunakan sebagai pengukur kecepatan.
Gambar 2.6 Contoh Sensor Efek-Hall
43 3. Sensor Sinar
Sensor sinar terdiri dari 3 (tiga) kategori, antara lain:
a. Fotovoltaic atau sel solar adalah alat sensor sinar yang mengubah energi sinar langsung menjadi energi listrik, dengan adanya penyinaran cahaya akan menyebabkan pergerakan elektron dan menghasilkan tegangan.
b. Fotokonduktif (fotoresistif) yang akan memberikan perubahan tahanan (resistansi) pada sel-selnya, semakin tinggi intensitas cahaya yang diterima, maka akan semakin kecil pula nilai tahanannya.
c. Fotolistrik adalah sensor yang berprinsip kerja berdasarkan pantulan karena perubahan posisi/jarak suatu sumber sinar (inframerah atau laser) ataupun target pematulannya, yang terdiri dari pasangan sumber cahaya dan penerima.
4. Sensor Tekanan
Sensor tekanan adalah sensor yang memiliki transduser yang mengukur ketegangan kawat, dimana mengubah tegangan mekanis menjadi sinyal listrik.
Dasar penginderanya pada perubahan tahanan pengantar (transduser) yang berubah akibat perubahan panjang dan luas penampangnya.
Gambar 2.7 Contoh Sensor Tekanan
44 5. Sensor Suhu
Ada 4 (empat) jenis utama sensor suhu yang biasa digunakan antara lain:
a. Thermocouple (T/C)
Thermocouple (T/C) pada pokoknya terdiri dari sepasang transduser panas dan dingin yang disambungkan/dilebur bersama, perbedaan yang timbul antara sambungan tersebut dengan sambungan referensi yang berfungsi sebagai pembanding.
b. Resistance Temperature Detector (RTD)
Resistance temperature detector (RTD didasari pada tahanan listrik dari logam yang bervariasi sebanding dengan suhu.
c. Termistor
Termistor adalah resistor yang peka terhadap panas yang biasanya mempunyai koefisien suhu negatif, karena saat suhu meningkat maka tahanan menurun atau sebaliknya. Jenis ini sangat peka dengan perubahan tahan 5%
per C sehingga mampu mendeteksi perubahan suhu yang kecil.
d. IC Sensor
Adalah sensor dengan rangkaian terpadu yang menggunakan chip silikon untuk kelemahan penginderanya. Mempunyai konfigurasi output tegangan dan arus yang sangat linear.
45 Gambar 2.8 Contoh Sensor Suhu
6. Sensor Kecepatan (RPM)
Proses penginderaan merupakan proses kebalikan dari suatu motor, dimana suatu poros (object) yang berrputar pada suatu generator akan menghasilkan suatu tegangan yang sebanding dengan kecepatan putaran object.
Kecepatan putar sering pula diukur dengan menggunakan sensor yang mengindera pulsa magnetis (induksi) yang timbul saat medan magnetis terjadi.
7. Sensor Penyandi (encoder)
Digunakan untuk mengubah gerakan linear atau putaran menjadi sinyal digital, dimana sensor putaran memonitor gerakan putar dari suatu alat. Sensor ini biasanya terdiri dari 2 lapis jenis penyandi yaitu :
Penyandi rotari tambahan (yang mentransmisikan jumlah tertentu dari pulsa untuk masing-masing putaran) yang akan membangkitkan gelombang kotak pada objek yang diputar.
Penyandi absolut (yang memperlengkapi kode binary tertentu untuk masing-masing posisi sudut) mempunyai cara kerja yang sama dengan perkecualian, lebih banyak atau lebih rapat pulsa gelombang kotak yang dihasilkan sehingga membentuk suatu pengkodean dalam susunan tertentu.
46 Untuk sensor deteksi level air dapat disiasati dengan cara memanfaatkan frekuensi sebagai media untuk mengetahui perubahan level permukaan air. Teknik ini termasuk sensor kategori ultrasonic seperti pada gambar 2.9 di bawah ini.
Gambar 2.9 Model sensor deteksi level air
Prinsip Kerja
Sensor ultrasonik terdiri atas tiga bagian utama, yaitu:
a. Transmitter Gelombang Ultrasonik b. Receiver Gelombang Ultrasonik c. Rangkaian kontrol
Transmitter berfungsi sebagai pemancar gelombang ultrasonik.
Gelombang yang dipancarkan memiliki frekuensi 40Khz. Gelombang tersebut akan dipancarkan dengan kecepatan 344.424 m/detik atau 29.034 µs setiap 1 cm. Jika terdapat objek atau halangan di depan maka gelombang akan memantul yang kemudian pantulan gelombang tersebut akan dideteksi oleh receiver (penerima). Selanjutnya, rangkaian kontrol akan mendeteksi pantulan
47 gelombang dan menghitung lama waktu saat gelombang dipancarkan dan dipantulkan. Lama waktu pemantulan gelombang ini akan dikonversi menjadi sinyal digital dalam bentuk pulsa. Sinyal inilah yang nantinya diolah oleh mikrokontroller sehingga didapat nilai jarak antara objek dan sensor. Nilai jarak dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan berikut ini.
s=
𝑉𝑥𝑡2 ………..………2.1Di mana: V = adalah kecepatan suara 344 m/s t = adalah waktu tempuh (s)
s = adalah jarak (m)
Rumus jarak didapat dari pembagian lama waktu pantul dengan kecepatan gelombang ultrasonik dan dibagi 2 (dua) karena pada saat pantulan terjadi dua kali jarak tempuh antara sensordengan objek. Yaitu pada saat gelombang dipancarkan dari transmitter ultrasonic ke objek dan pada saat gelombang memantul kembali ke receiver ultrasonik.
Gambar 2.10 Diagram waktu
48 Kalibrasi sensor diperlukan untuk mengurangi kesalahan pembacaan jarak.
Kalibrasi sensor dilakukan dengan menggunakan regresi linier dengan pengukuran menggunakan alat ukur/penggaris sampai dengan 50 cm yang diulangi sebanyak tiga kali pengulangan sehingga dihasilkan 150 nilai jarak sebenarnya dan nilai microsecond. Data kalibrasi dapat memperlihatkan grafik dari persamaan regresi linier pada sensor dimana fungsi y = return time yang terbaca dari sensor ultrasonic (μs) dan fungsi x = jarak sebenarnya.
y=Ax+C ……….2.2
Keterangan:
y = return time yang terbaca dari sensor ultrasonic (μs) x = jarak sebenarnya (cm)
E. Mikrokontroler
Mikrokontroler adalah suatu chip cerdas yang dapat digunakan sebagai pengontrol utama sistem elektronika, misalnya sistem pengukur suhu digital (thermometer digital), sistem keamanan rumah, sistem kendali mesin industri, robot penjinak bom, dan Iain-Iain. Hal ini dikarenakan didalam chip tersebut sudah ada unit pemroses, memori ROM (Read Only Memory), RAM (Random Access Memory), I/O, dan fasilitas pendukung lainnya.
Beberapa mikrokontroller yang sering digunakan (Widodo Budiharto;2011):
Keluarga MCS51 (AT89S51/52/8252, AT90S2051)
Keluarga AVR (AVR ATmega16, 8535, 90S2313)
Motorola
49 Pada skripsi ini digunakan mikrokontroller AVR ATmega 8535 dikarenakan kelebihan yang dimilikinya, diantaranya sudah terdapat pengubah analog ke digital (ADC internal) didalam chip tersebut.
Mikrokontroller AVR standar memiliki arsitektur 8-bit, dimana semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit dan sebagian besar instruksi dieksekusi dalam 1 siklus clock. Berbeda dengan instruksi MCS51 yang membutuhkan siklus 12 clock. Hal ini karena kedua jenis Mikrokontroller tersebut memiliki arsitektur yang berbeda.
AVR berteknologi RISC (Reduced Instruction Set Computing), sedangkan seri MCS51 berteknologi CISC (Complex Instruction Set Computing). AVR dapat dikelompokakan menjadi empat kelas, yaitu keluarga ATtiny, keluarga AT 90Sxx, keluarga ATmega dan AT86RFxx. Pada dasarnya yang membedakan masing- masing kelas adalah memori, peripheral dan fungsinya.
Pemroses Data
Untuk melakukan proses data kecepatan tinggi membutuhkan mesin penghitung seperti mikrokontroler. Mikrokontroler adalah suatu piranti yang difungsikan sebagai pengontrol utama sistem kerja rangkaian melalui software yang diprogram, yaitu untuk memproses data-data yang berasal dari input sensor.
Selanjutnya data-data tersebut diolah oleh mikrokontroler dan kemudian dapat ditampilkan dalam bentuk visualisasi, nada ataupun diintegrasikan dengan sistem lain. Salah satu contoh mikrokontroler yang banyak digunakan untuk sistem yang tidak terlalu rumit, murah serta tidak membutuhkan memori yang besar adalah AT Mega 8535.
50 Mikrokontroler AT Mega 8535 memiliki kemudahan dalam program dan fitur-fitur menarik terdiri dari 40 pin sebagaimana diperlihatkan pada gambar 2.11.
Gambar 2.11 PIN AT Mega 8535
Dari gambar di atas dapat dijelaskan fungsi dari masing-masing pin AT Mega 8535 sebagai berikut:
- Vcc merupakan pin yang berfungsi sebagai masukan catu daya.
- GND merupakan pin Ground.
- Port A (PA0 – PA7) merupakan pin input/output dua arah dan pin masukan ADC.
- Port B (PB0 – PA7) merupakan pin input/output dua arah dan pin dengan fungsi khusus seperti SPI, MISO, MOSI, SS, AIN1/OC0, AIN0/INT2, T1, T0 T1/XCK.
- Port C (PC0 – PC7) merupakan pin input/output dua arah dan pin dengan fungsi khusus, seperti TOSC2, TOSC1, TDI, TD0, TMS, TCK, SDA, SCL.
51 - Port D (PD0 – PD7) merupakan pin input/output dua arah dan pin dengan
fungsi khusus, seperti RXD, TXD, INT0, INT1, OC1B, OC1A, ICP1.
- RESET merupakan pin yang digunakan untuk me-reset mikrokontroler.
- XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan clock eksternal.
- AVCC merupakan pin masukan tegangan untuk ADC.
- AREF merupakan pin masukan tegangan referensi ADC.
Dalam sebuah mikrokontroler memori merupakan bagian yang sangat penting pada mikrokontroler, dan mikrokontroler memiliki dua macam memori yang sifatnya berbeda.
Read only memory (ROM) yang isinya tidak berubah meskipun IC kehilangan catu daya. Sesuai dengan keperluanya, dalam susunan MCS-51 memori penyimpanan program ini di namakan sebagai memori program.
Random access memory (RAM) isinya akan sirna begitu IC kehilangan catu daya, dipakai untuk menyimpan data saat program bekerja. RAM yang dipakai untuk menyimpan data ini di sebut sebagai memori data.
AT Mega 8535 mempunyai 32 general purpose register (R0..R31) yang terhubung langsung dengan Arithmetic Logic Unit (ALU), sehingga register dapat diakses dan dieksekusi hanya dalam waktu satu siklus clock. ALU merupakan tempat dilakukannya operasi fungsi aritmetik, logika dan operasi bit. R30 disebut juga sebagai Z-Register, yang digunakan sebagai register penunjuk pada pengalamatan tak langsung. Didalam ALU terjadi operasi aritmetik dan logika antar register. Antara register dan suatu konstanta, maupun operasi untuk register
52 tunggal (single register). Berikut arsitekturnya yang ditunjukkan blok diagram pada Gambar 2.12.
Gambar 2.12 Diagram blok mikrokontroler AT Mega 8535
F. Port sebagai Input/Output Digital
ATmega8535 mempunyai empat buah port yang bernama portA, portB, portC dan portD. Keempat port tersebut merupakan jalur bi-directional dengan pilihan internal pull-up. Tiap port mempunyai tiga register bit, yaitu DDxn, PORTxn dan PINxn. Huruf 'x' mewakili nama huruf dari port sedangkan huruf 'n' mewakili nomor bit. Bit DDxn terdapat pada I/O address DDRx, bit PORTxn terdapat pada I/O address PORTx, dan bit PINxn terdapat pada I/O address PINx.
Bit DDxn diset 1 maka Px berfungsi sebagai pin output. Bila DDxn diset 0 maka Px berfungsi sebagai pin input, maka resistor pull-up akan diaktifkan. Untuk
53 mematikan resistor pull-up, PORTxn harus diset 0 atau pin dikonfigurasikan sebagai pin output. Pin port adalah tri-state setelah kondisi reset. Bila PORTxn diset 1 pada saat pin terkonfigurasi sebagai pin output maka pin port akan berlogika 1. Dan bila PORTxn diset 0 pada saat terkonfigurasi sebagai pin output maka pin port akan berlogika 0. Saat mengubah kondisi port dari kondisi tri-state (DDxn=0, PORTxn=0) ke kondisi output high (DDxn=1, PORTxn=1) atau kondisi output low (DDxn=1, PORTxn=0). Biasanya kondisi pull-up enabled dapat diterima sepenuhnya, selama lingkungan impedansi tinggi tidak memperhatikan perbedaan antara sebuah strong high driver dengan sebuah pull- up. Jika ini bukan suatu masalah, maka bit PUD pada register SFIOR dapat diset 1 untuk mematikan semua pull-up dalam semua port. Peralihan dari kondisi input dengan pull-up ke kondisi output low juga menimbulkan masalah yang sama.
Maka harus menggunakan kondisi tri-state (DDxn=0, PORTxn=0) atau kondisi output high (DDxn=1, PORTxn=0) sebagai kondisi transisi.
G. Sistem Clock
Mikrokontroller, mempunyai sistem pewaktu CPU, 12 siklus clock.
Artinya setiap 12 siklus yang dihasilkan oleh keramik resonator maka akan menghasilkan satu siklus mesin. Nilai ini yang akan menjadi acuan operasi CPU.
Untuk mendesain sistem mikrokontroller kita memerlukan sistem clock. Sistem ini bisa dibangun dari clock internal.
H. ADC (Analog to Digital Converter)
ADC (Analog to Digital Converter) adalah salah satu fasilitas mikrokontroller ATMega8535 yang berfungsi untuk mengubah data analog
54 menjadi data digital. ADC memiliki 2 karakter prinsip, yaitu kecepatan sampling dan resolusi. Kecepatan sampling suatu ADC menyatakan seberapa sering sinyal analog dikonversikan ke bentuk sinyal digital pada selang waktu tertentu.
Kecepatan sampling biasanya dinyatakan dalam sample per-second (SPS).
I. Timer/Counter
Timer dan counter adalah dua fasilitas yang memiliki perangkat yang sama seperti halnya register penampunganya (TCNTx). Ketika difungsikan sebagai timer, maka register penampung tersebut berisikan jumlah waktu yang terlampaui tiap selang waktu tertentu. Besar selang waktu tersebut dapat disetting sesuai dengan kebutuhan. Jika dipakai sebagai counter, maka register penampung tersebut digunakan untuk menyimpan data hasil perhitungan terakhir. Sat difungsikan sebagai counter, maka masuk melewati pin TO dan T1. Register untuk mengatur kapan timer difungsikan sebagai timer dan kapan sebagai counter adalah TCCRx.
ATMega8535 memiliki fasilitas 3 buah timer/counter yaitu timer/counter0 8 bit, timer/counterl 16 bit, dan timer/counter2 8 bit. 8 bit dan 16 bit adalah jumlah data yang bisa ditampung pada register penampungnya. Pada bab ini akan didemonstrasikan dua aplikasi praktik, dengan tujuan peserta bisa membedakan fungsi dari timer dan counter pada mikrokontroller.
J. Bahasa Pemrograman BASIC AVR (BASCOM AVR)
Bahasa pemprograman BASIC dikenal di seluruh dunia sebagai bahasa pemrograman handal, cepat, mudah dan tergolong ke dalam bahasa pemprograman tingkat tinggi. Bahasa BASIC adalah salah satu bahasa pemprograman yang banyak digunakan untuk aplikasi mikrokontroler karena kemudahan dan kompatibel
55 terhadap mikrokontroler jenis AVR dan didukung oleh compiler software berupa BASCOM-AVR.
56
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
A. Waktu dan Tempat a. Waktu
Pembuatan tugas akhir ini dilaksanakan selama 5 bulan, mulai dari bulan Januari 2015 sampai dengan Mei 2015 sesuai dengan perencanaan waktu yang terdapat pada jadwal penelitian.
b. Tempat
Tempat pembuatan tugas akhir ini di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik UNISMUH Makassar.
B. Metode Penelitian 1. Metode Referensi
Metode ini dilakukan dengan mengumpulkan data-data dengan mencari buku-buku atau sumber lainnya yang berhubungan dengan alat yang akan dibuat sehingga data yang didapat akurat.
2. Metode Konsultasi
Metode ini dilakukan dengan cara bertukar pendapat dan konsultasi dengan dosen pembimbing mengenai alat yang dibuat dan hal apa yang akan dibahas.
3. Metode Observasi
Metode ini dilakukan dengan cara pengujian ke Laboratorium E lektronika mengenai perencanaan yang sedang dibuat untuk mengetahui apakah alat tersebut dapat berfungsi dengan baik atau tidak.
57 C. Perancangan
Perancangan ini bertujuan untuk memperoleh rangkaian yang tepat dan bekerja dengan baik dengan pertimbangan karakteristik dari komponen yang digunakan. Perancangan ini juga sangat membantu dalam proses pemilihan komponen-komponen yang digunakan untuk alat yang akan dibuat. Selain itu dengan adanya perancangan, tahap-tahap penyelesaian akan dapat dilaksanakan dengan baik dan sistematik.
D. Pemilihan Komponen
Pada blok diagram rangkaian terdapat subsistem dimana pada tiap subsistem mempunyai fungsi yang berbeda. Dari setiap subsistem tersebut akan dapat berfungsi dengan baik apabila komponen yang digunakan mempunyai kesesuaian dan karakteristik yang baik. Untuk itu semua data komponen sangat dibutuhkan dalam pemilihan komponen agar mendapatkan komponen yang cocok.
E. Langkah-langkah perancangan
Langkah-langkah perancangan ini terbagi menjadi dua bagian, yaitu bagian perancangan elektronik yang meliputi semua tahapan yang berhubungan dengan rangkaian, misalnya pemilihan komponen, pembuatan PCB, pemasangan komponen dan pengujian rangkaian. Selanjutnya adalah perancangan mekanik.
Pada bagian ini dilakukan pekerjaan yang berhubungan dengan bidang mekanik seperti membuat box, mengecat, memberi tanda, merakit, pengeboran untuk bagian-bagian yang sesuai pada rangkaian yang akan dibuat.
