Universitas Gadjah Mada 1 BAB IX
SISTEM TELEMETRI
Sistem telemetri adalah cara pengukuran jarak jauh yang memanfaatkan sarana telekomunikasi dan sistem komputer untuk pengaturan pengaksesan data dan beberapa zona penyelidikan. Pada sistem telemetri, semua informasi data diubah ke dalam bentuk informasi listrik dan diolah secara digital. Dengan demikian pada sistem te1emeti, semua transduser, sensor, detektor haruslah mempunyai keluaran yang berbetuk besaran elektris (arus atau tegangan listrik) Sistem telemetri pada umumnya tampak pada Gambar 9.1.
STASIUN PENGENDALI Gambar 9.1. Sistem Telemetri
Universitas Gadjah Mada 2 Transduser, sensor atau detektor yang terpasang pada stasiun pemantau di lokasi pemantauan dan hasil pengukuran tersebut yang berupa informasi elektris yang kemudian diperkuat oleh sistem penguat awal (Pre-Amp) maupun sistem penguat (Amplifier). Setelah mendapat penguatan yang cukup sesuai dengan sistem berikutnya, sinyal tersebut dikondisikan agar mempunyai kualitas data yang baik oleh SC (Signal Conditioner). Dengan demikian setelah melewati Sc, sinyal listrik tersebut telah bersih dan noise maupun sinyal-sinyal palsu. Mengingat sistem komputer yang dipakai adalah komputer digital, maka sinyal-sinyal tersebut harus diubah ke bentuk digital oleh unit Analog to Digital Converter (ADC).
Selanjutnya data tersebut dapatdikirimkan ke stasiun pengendali melalui sistem komunikasi data yang terdiri atas modem (modulator - demodulator) dan sistem komunikasi biasa seperti pemancar radio, telepon kabel, telepon selular, maupun dikirimkan melalui satelit.
Pemilihan sistem komunikasi yang dipakai disesuaikan dengan kondisi lingkungan dan pertimbangan biaya. Penggunaan satelit adalah pilihan paling mahal, sedangkan penggunaan gelombang radio relatif paling murah. Dengan teknologi yang sudah ada, sistem komunikasi ini dapat mengirimkan data dan dan ke stasiun pemantau secara transparan (cepat, tidak ada data yang hilang atau berubah).
Ada beberapa metode pengiriman data dalam sistem telemetri yaitu :
1. Dengan menggunakan piranti Voltage to frequency converter (VFC) dan frequency to voltage converter (FVC). VFC (Voltage to Frequency Converter) merupakan peralatan yang berliingsi untuk mengubah tegangan analog menjadi gelombang kotak dengan frekuensi tertentu, perubahan tegangan masukan linier dengan perubahan frekuensi. Bila tegangan masukan 0 volt maka frekuensi keluaran juga 0 hertz (Hz), jika tegangan masukan 5 volt maka frekuensi keluaran adalah 5 KHz. Frequency to Voltage Converter (FVC) adalah alat yang digunakan untuk mengubah gelombang kotak dengan frekuensi tertentu menjadi tegangan analog, besarnya tegangan keluaran linier dengan besarnya frekuensi masukan.
2. Dengan memakai Dual Tone Multiple Frequency (DTMF). DTMF dapat dinyatakan langsung dalam data biner. Pada dasarnya DTMF adalah piranti semikonduktor yang dirancang untuk digunakan pada sistem dial pada pesawat telepon. Dengan memakai sandi morse yang terdiri dan sandi - sandi yang mempunyai karakter yang berbeda. Sandi-sandi ini kemudian akan diubah dalam bentuk data biner sehingga dapat dimanfaatkan untuk pengiriman data dalam sistem telemetri.
Mengingat daerah pemantauan; sangat luas, maka sistem pemantauan dibagi dalam beberapa zona pemantauan remote area). Setiap zona merupakan daerah yang sempit dengan beberapa transduser sejenis maupun transduser yang berbeda-beda sesuai dengan parameter yang diakses pada zona tersebut.
Universitas Gadjah Mada 3 Zona pemantauan yang tidak memungkinkan mendapat cath daya listrik (PLN), perlu dilengkapi dengan sistem baterai yang tahan lama atau sistem baterai yang diisi ulang dengan solar-cell, sehingga mengurangi beban perawatan. Perawatan hanya dilakukan apabila ada kerusakan atau untuk pengecekan / kalibrasi sistem pengukuran.
Stasiun pengendali berada di daerah yang ditentukan. Pada kondisi khusus, tugas stasiun pengendali bisa diambil alih dan tempat lain bila hal itu diperlukan. Tahap berikutnya padastasiun pengendali adalah pengolahan data yang dilakukan oleh komputer sesuai dengan program (software) yang dipasang di dalamnya. Dalam sistem telemetri ini, komputer mempunyai fungsi ganda, yakni sebagai alat pengendali dan pengatur lalu-lintas data, juga berfungsi sebagai pengolah data.
Stasiun Pengendali ini dapat juga dilengkapi dengan sebuah server yang bertugas melayani setiap permintaan data dan daerah lain melalui sistem internet. Dengan demikian data yang telah disimpan di server dapat diakses dan komputer lain baik berupa data mentah maupun hasil analisis akhir yang dihasilkan sistem komputasinya. Pengambilan data ini hanya dapat dilakukan apabila telah mendapat persetujuan dan pihak yang diberi wewenang untuk itu.
Dibanding dengan cara pengambilan data yang konvensional (manual), sistem telemetri mempunyai beberapa keunggulan, yakni:
Kecepatan akuisisi data sangat cepat dan nyaris bersamaan (selisih waktu cuplik kurang dan 1 detik) untuk beberapa area yang berjauhan.
Dapat melakukan pengukuran secara terus menerus dan real-time (tidak ada waktu tunda).
Dapat mengatur dan mengendalikan pencuplikan data dan stasiun pengendali sesuai dengan keperluan.
Data yang diambil secara otomatis telah tersimpan di sistem computer dan dapat dianalisis sesuai dengan metode yang diterapkan.
Data dapat diakses dan dikirim ke segala penjuru dunia melalui sistem internet.
Akurasi data lebih baik dan lebih dapat dipercaya dibandingkan dengan sistem manual. Mengurangi faktor kesalahan yang sering dilakukan oleh manusia.
IX.2 Penggunaan Gelombang Radio VHF
Sejarah perhubungan radio mengingatkan kita kembali pada penemuan Marconi di bidang radio telegraf. Sejak itu, perkembangan yang sangat cepat telah dieapai dalam bidang teknik radio dengan ditemukannya tabung hampa.
Sistem perhubungan frekuensi tinggi mulai dikembangkan untuk memberikan jawaban atas kekurangan yang dimiliki oleh sistem perhubungan dengan menggunakan
Universitas Gadjah Mada 4 modulasi amplitudo (AM) maupun modulasi frekuensi (FM). Dengan melakukan pelebaran pita frekuensi dan menambahkan kedalaman modulasi frekuensi untuk memperoleh perbandingan antara sinyal dan derau (S/N) yang baik.
Ada berbagai cara untuk penyaluran informasi kepada pihak lain yang masing - masing mempunyai karakteristiknya sendiri. Informasi yang dikirimkan terdiri dan berbagai jenis, misalnya : suara manusia, sinyal telegraf, sinyal televisi, sinyal multipleks, telefoto, faksimili dan sebagainya. Semua jenis materi informasi ini, misalnya suara manusia, sebuah foto atau televisi, pertama harus diubah dalam bentuk listrik dengan menggunakan mikrofon, telekamera atau alat lainnya agar materi im dapat dibawa oleh gelombang radio. Cara penumpangan informasi yang telah di ubah dalam bentuk sinyal listrik ke dalam gelombang radio mi dinamakan modulasi.
Modulasi parametrik dibagi menjadi dua bagian yaitu Parametric Continous Modulation (PCM) dan Parametric Pulse Modulation atau Analog Pulse Modulation (APM). Yang termasuk dalam modulasi PCM adalah Amplitudo Modulastion (AM), Frequency Modulation (FM) dan Phase Modulation (PM). Sedangkan yang termasuk dalam modulasi APM adalah Pulse Amplitudo Modulation (PAM), Pulse Frequency Modulation (PFM), Pulse Position Modulation (PPM) dan Pulse Width Modulation (PWM).
Proses propagasi gelombang VHF hampir tidak dapat dilakukan bagi perhubungan dengan propagasi ionosfer dan propagasi utamanya ialah gelombang permukaan. Gelombang radio pada pita-pita frekuensi VHF ini terutama sangat dipengaruhi oleh indeks bias lapisan troposfer sehingga gelombang ini juga dinamakan gelombang tropo.
Propagasi gelombang permukaan memiliki dua pendekatan yaitu propagasi bumi datar dan propagasi bumi bulat. Propagasi bumi datar dibagi lagi menjadi dua yaitu propagasi bumi datar dengan penghantaran sempurna dan propagasi bumi dengan tidak
Universitas Gadjah Mada 5 mempunyai redaman sempuma. Perhitungan propagasi bumi datar dangan penghantaran sempurna merumuskan kuat medan pancaran listrik dan antena vertikal sebagai antena.
IX.3. Antena
Antena merupakan rangkaian resonansi yang istimewa. Pada rangkaian resonansi biasa, ukuran kondensator dan kumparan jauh lebih kecil daripada panjang gelombang resonansi. Oleh karena itu, medan listrik dan magnetik tetap tinggal di dalam rangkaian. Energi medan tersebut hanya diubah menjadi usaha listrik dan panas.
Apabila ketebalan kabel kumparan dan besar kondensator sebanding dengan panjang gelombang resonansi, maka sebagian besar energi medan akan dikeluarkan sebagai gelombang elektromagnetik. Ini adalah prinsip pemancar. Pemancar tersebut dapat terbuat dan macam-macam bahan penghantar yang biasanya berbentuk kawat atau pipa. Kekuatan medan elektromagnetik yang dipancarkan, tergantung pada luas medan pancar, besar arus dan tegangan listrik yang terdapat di dalamnya. Rangkaian resonansi, biasanya terbuat dan induktor, kondensator dan resistor juga terdapat pada antena, tetapi wujudnya bukan komponen melainkan rangkaian linear sepanjang kabel antena.
Kawat antena yang beresonansi mengakibatkan muatan listrik bergetar atau bergerak dengan frekuensi tertentu bolak-balik dan ujung ke ujung kawat. Getaran ini akan menempuh jarak sebesar panjang gelombang resonansi. Untuk dapat menampung getaran resonansi ini panjang antena harus paling sedikit setengah panjang gelombang (1/2
). Setengah panjang gelombang adalah syarat umum untuk mempertahankan resonansi.Bila gelombang radio disalurkan melalui kawat tak berhingga, maka amplitudonya semakin lama akan semakin kecil, karena energinya hilang akinat pemanasan kawat dan pemancaran. Lain halnya kalau kawat itu pendek; berkat pemantulan gelombang pada ujung-ujungnya energi tidak akan lenyap begitu saja. Bila gelombang tersebut secara terus menerus pada suatu antena yang panjangnya tepat setengah gelombangnya maka resonansi akan terjadi.
Impedansi antena menentukan perbandingan tegangan dan arus di dalam antena. Tepat pada frekuensi resonansi, nilai impedansi menjadi resistif karena fasa arus dan tegangan menjadi sama. Bila kondisi resonansi tidak benar-benar tercapai, maka antara tegangan dan arus listrik akan terdapat suatu fasa kecil. Hal ini membuat sifat impedansinya tidak resistif saja, melainkan juga induktif atau kapasitif.
Energi yang disalurkan ke dalam antena sebagian besar dimanfaatkan untuk pemancaran gelombang elektromagnetik, dan sisanya hilang melalui pemanasan kawat dan resistansi isolasi. Tujuan utama penyaluran energi tersebut adalah mempertahankan pemancaran dengan cara meminimalisasi energi yang hilang.
Universitas Gadjah Mada 6 Medan antena merupakan gelombang elektromagnetik yang dipancarkan ke tempat yang jauh. Ini yang disebut medan pancar. Intensitas medan pancar semakin jauh akan semakin berkurang. Komponen listrik dan magnetik dan gelombang tersebut mempunyai fasa yang sama, tetapi polarisasinya berbeda (saling tegak lurus).
Pada prakteknya intensitas medan yang dipancarkan suatu antena ke semua jurusan tidak pemah sama. Mungkin saja intensitas medan ke beberapa arah itu nol sedangkan ke arah-arah lainnya bervaniasi dan kuat sampai lemah. Antena yang mampu memancarkan intensitas yang sama ke semua arah disebut sebagai pemancar isotrop. Grafik yang memperlihatkan, untuk jarak tertentu, intensitas relatif medan sekeliling antena disebut juga diagram pemancar. Diagram pemancar yang terdapat di atas kertas hanya menggambarkan situasi medan pada satu bidang, padahal yang sebenarnya berdimensi tiga. Ini berarti bahwa diagram tiga dimensi suatu pemancar isotrop mempunyai wujud bola.
Polarisasi vertikal pada frekuensi rendah (4 MHz) membutuhkan antena vertikal yang cukup panjang sehingga para amatir radio sukar menerapkannya. Satu-satunya cara yang memungkinkan pemancaran tersebut adalah dengan menggunakan ground plane atau antena yang dipendekkan. Panjang antena semacam ini biasanya tidak melebihi ¼ panjang gelombang. Kekurangan panjang antena ini harus ditunjang oleh masa atau permukaan bumi agar terjadi pencerminan atau penerusan gelombang.
Antena vertikal yang tingginya ¼ panjang gelombang yang disalurkan ke massa atau biImi sebenarnya, dapat pula disalurkan ke tempat massa atau bumi sintetis. Massa atau bumi sintetis yang dimaksudkan di sini terbuat dan beberapa kawat yang masing-masing sepanjang ¼ panjang gelombang. Ground plane ini beresonansi seperti antena ½ w panjang gelombang. Adanya bagian horisontal dan vertikal pada antena akan membuat polanisasi medan menjadi miring. Hal ini mempengaruhi diagram pemancarannya Bila Iumlah kawat-kawat radial yang tegak lurus padda antena vertikal jumlahnya melebihi 4, maka dapat dikatakan bahwa polarisasinya secara praktis adalah vertikal.
Antena yang digunakan untuk memancarkan dan menerima gelombang HF pada dasarnya adalah berbentuk antena dipole. Kalau diklasifikasikan lagi, antena yang tidak memiliki arab biasanya digunakan untuk pusat stasiun bergerak atau stasiun TV. Sedangkan jenis yang mempunyai diagram arah digunakan untuk perhubungan point to point, atau untuk penerimaan TV.
Jenis pertama dan HF adalah antena berarah seperti antena corner reflektor antena Yagi Uda, array antena, antena helical dan antena log periodik. JenIs kedua adalah antena Omni Directional seperti antena polanisasi horizontal Omni directional, dimana semua jenis mi tidak memiliki arah atau orientasi menghadapnya antena ke suatu tujuan tertentu.
Universitas Gadjah Mada 7 Beberapa hal penting yang perlu diperhatikan dalam pemilihan antena :
1. Pengukuran beberapa parameter antena yang menentukan efektifitas dan kinerja antenna, meliputi :
Pengukuran arus dan tegangan Pengukuran gain antena
Pola radiasi ruang (space radiation pattern) Pengukuran feed point impedance
Polarisasi antenna
Pengukuran Standing Wave Ratio (SWR)
2. Pengukuran parameter pesawat transceiver yang menentukan efektifitas dan kinerja pesawat, meliputi :
Pengukuran arus dan tegangan
Pengukuran frekuensi pancar terima pesawat
3. Pengukuran saluran transmissi (transmission line) yang sesuai untuk menghasilkan kinerja yang efektif.
Hasil pengukuran ketiga hal diatas akan dianalisis dan dievaluasi untuk memperoleh set-up terbaik dan tiap - tiap komponen yang memberikan hasil optimal pengiriman data melalui gelombang radio.
Jenis – jenis antena yang sering dipakai dalam system telemetri adalah : 1. Antena YAGI Berelemen 10
Pada Gambar 8.2 terdapat antena YAGI yang panjang tulang belakangnya hanya 1,6 panjang gelombang. Bentuk antena ini sebenarnya terletak antara jenis antena YAGI biasa dan YAGI panjang. Jarak elemen dibuat pendek, keuntungannya 12,5 dB. Spesifikasi ukuran yang terdapat pada Gambar 2.1 hanya berlaku bila diameter pipa antenanya 20 mm. Sistem penyaluran menggunakan kabel 60 mm melalui jalur kabel khusus.
Universitas Gadjah Mada 8 2. VHF ¼ vertical
Idealnya VHF vertikal harus dipasang di atas bidang datar yang rata sempurna untuk meyakinkan radiasi omnidireksional yang seragam. Tipe antena ¼ menyebabkan “picket fencing” (rapid flutter). Flutter terjadi ketika polarisasi vertical disebabkan oleh obyek konduktif vertikal antara antena dan pesawat. Ketika ada penghalang, ada sinyal yang ditangkap antena menjadi terhalang.
3. VHF vertical ¼ vertical dengan ground plane
Antena ¼ seperti ditunjukan pada Gambar 9.3 A adalah antena vertikal dengan ground plane. Antena ini terdiri atas empat radial atau lebih. Panjang elemen dalam feet diturunkan dalam persamaan 9.1 dan 9.2.
Radial agak sedikit panjang, /3,9 (feet). kira – kira Dengan panjang yang sama, keempat radial dipasang miring dengan sudut 450 terhadap arah horisontal antena dan feed impedance-nya 50 ohm. Ketika radial dipasang dengan sudut 90° seperti pada Gambar 2.2 B, feed impedance-nya menjadi 30 ohm.Keuntungan antena vertikal dengan ground plane adalah bahwa sistem dapat ditempatkan di atas obyek konduktif. Radial yang bengkok dapat menjadi bidang ground yang baik yang mendukung antena. Kabel koaksial yang luar dihubungkan dengan radial dan konduktor bagian dalam dihubungkan ke driven element.
Sumber : ARRL, 1982 : 16-5
Universitas Gadjah Mada 9 4. IX.4. Kawat Penyalur
Mengingat peralatan pemancar dan antena masing-masing berada di tempat yang berlainan, maka kedua bagian tersebut harus dihubungkan melalui kabel. Dalam penyaluran listrik yang berfrekuensi tinggi, diusahakan agar kabel tidak memancarkan medan. Dengan demikian antena menjadi satu-satunya bagian yang memancarkan medan. Jenis kabel yang saat ini banyak dipergunakan ialah kabel koaksial atau kabel datar. Gambar 9.4 menunjukkan arus pertama mengalir di tengah tengah penghantar kabel koakksial, sedangkan arus keduayang berlawanan arahnya mengalir pada bagian dalam selubung kabel. Dengan demikian medan elektromagnetik di luar kabel koaksial adalah nol.
Gambar 9.4. Penyaluran arus pada kabel koaksial
Perbandingan gelombang datang dan kembali bila kondisi penyerapan atau pemantulan pada ujung kabel antena tidak menyeluruh, disebut perbandingan gelombang berdiri atau Standing Wave Ratio (SWR). SWR dapat didefinisikan melalui hubungan antara tegangan yang dipancarkan dengan tegangan yang dipantulkan, yang diberikan dalam persamaan (9.3).
Alat untuk mengukur nilai SWR dalam suatu saluran pemancar adalah SWR meter. SWR meter memonitor tegangan dan arus pada gelombang pancar dan membandingkannya dengan tegangan dan arus pada gelombang pantul. Pada SWR meter dapat dibaca daya pancar dan daya pantul langsung pada skala SWR meter. Dalam keadaan antena dan saluran yang match, gelombang pantul di dalam transmisi adalah nol dan penunjukan SWR meter adalah satu dan SWR berharga 1:1.
5. Aplikasi Sistem Telemetri
Sistem telemetri dapat diaplikasikan pada Sistem Pemantau Parameter Cuaca Jarak Jauh. Adapun diagram blok sistem pemantau parameter cuaca jarak jauh dapat dilihat pada Gambar 9.5.
Universitas Gadjah Mada 10 Gambar 9.5. Sistem Pemantau Parameter Cuaca Jarak Jauh
Rancangan Sistem Pemantau Parameter Cuaca Jarak Jauh terdiri dan dua bagian yaitu : stasiun pemantau (stasiun remote) dan stasiun pengendali. Sensor yang digunakan ada empat macam sensor yaitu: sensor suhu lingkungan, sensor kelembaban udara, sensor kecepatan angin, dan sensor keadaan awan. Metode pengiriman data akan menggunakan Dual Tone Multiple Frequency (DTMF).
Stasiun remote terdiri atas sensor-sensor, multiplexer, ADC 12 bit, latch, mikrokontroIer sebagai pengendali dan rangkaian pengirim serta penerima DTMF. Stasiun pengendali terdiri atas rangkaian pengirim serta penerima DTMF, mikrokontroler dan komputer sebagai pengolah data yang diperoleh dan sensor- sensor.
Universitas Gadjah Mada 11 Sistem secara keseluruhan bekerja pertama kali dari stasiun pengendali. Stasiun pengendali akan mengirimkan sinyal sebagai tanda untuk meminta stasiun remote untuk mengirim data dan sensor. Permintaan tersebut akan dibalas stasiun remote dengan mengirim tanda identifikasi dan sensor-sensor. Saat stasiun remote menenima permintaan tersebut, mikrokontroler memprosesnya dengan mengirim kembali tanda identifikasi data yang diikuti dengan pengiriman data dari sensor yang diminta. Stasiun pengendali akan tanda identifikasi dan data tersebut, kemudian melakukan pengolahan data dari sensor di dalam komputer.
