Fakultas Ilmu Komputer
Implementasi Node Sensor untuk Sistem Pengamatan pH Air Pada
Budidaya Ikan Air Tawar
Rian Bayu Pambudi1, Widhi Yahya2, Reza Andria Siregar3
Program Studi Teknik Informatika, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya Email: 1[email protected], 2 [email protected],3[email protected]
Abstrak
Informasi kondisi air pada bidang perairan dapat bermanfaat untuk menjaga kualitas air tetap baik. Hal tersebut juga dapat memberikan manfaat terutama pada air budidaya ikan air tawar. Ada beberapa parameter yang mempengaruhi kualitas air pada budidaya ikan air tawar dimana salah satu parameter tersebut adalah pH atau tingkat keasaman. Salah satu penelitian menjelaskan bahwa organisme hidup air tawar hanya dapat hidup pada pH antara 6,8-8,0 dan perubahan pH yang terjadi pada air dapat terjadi sewaktu-waktu. Pada saat ini, alat yang dapat mengukur nilai pH atau tingkat keasaman air adalah colorimeter, pH indikator dan pH meter. Pengamatan pH pada ketiga alat tersebut hanya dapat melakukan pengambilan data satu kali sehingga ketika digunakan untuk pengamatan secara berlanjut menjadi kurang efisien. Sistem pengamatan secara realtime dapat dibangun dengan melakukan implementasi fungsi monitoring pada Internet of Things dimana fungsi tersebut menggunakan sensor dan aktuator. Pada penelitian ini menggunakan Sensor Probe SEN1069 sebagai bagian sistem yang melakukan pengambilan data dan mikrokontroller Arduino sebagai bagian sistem yang melakukan kontrol dari sensor tersebut. Sensor dan mikrokontroller mengambil data kemudian mengolah data dan mengirimkannya ke sebuah server menggunakan mekanisme komunikasi websocket. Dari hasil pengujian, performa waktu komputasi sistem adalah 2,505 detik untuk komputasi 1000 data larutan asam ataupun larutan basa, 16 detik untuk mengamati perubahan dari pH 7.00 ke larutan asam dan 8 detik dari pH 7.00 ke larutan basa.
Kata kunci: arduino, internet of things, ph air, sensor, websocket.
Abstract
The information on water conditions in the aquatic field can be beneficial to maintain a good water quality. It can provide benefits especially in fish cultivation water. There are several parameters that affect water quality in freshwater fish culture where one of the parameters is pH or acidity level in water. One study explains that living freshwater organisms can only live at a pH between 6.8 to 8.0 and pH changes can occur at any time. At this time, a device that can measure the pH value or water acidity is a colorimeter, pH indicator and pH meter. The pH observations on these three devices can only perform one time data retrieval so that when used for continuous observations it is less efficient. Realtime monitoring systems can be built by implementing monitoring functions on the Internet of Things where they use sensors and actuators. In this study the authors use Probe Sensor SEN1069 as part of the system that performs data retrieval and Arduino microcontroller as part of the system that controls the sensor. Sensors and microcontrollers take pH data and then process pH data and send it to a server using Websocket communication mechanism. From the test results, the performance of system computing time is 2.505 seconds for computing 1000 data of acid solution or alkaline solution, 16 seconds to observe the change from pH 7.00 to acid solution and 8 seconds from pH 7.00 to alkaline solution.
Keywords: arduino, internet of things, ph, sensor, websocket.
1. PENDAHULUAN
Pada bidang perairan, informasi kandungan zat dalam air dapat menjadi manfaat guna meningkatkan kualitas air yang lebih
▸ Baca selengkapnya: hasil pengamatan roket air
(2)penelitian menjelaskan bahwa organisme hidup air tawar hanya dapat hidup pada pH antara 6,8-8,0 dan perubahan pH yang terjadi pada air dapat terjadi sewaktu-waktu (Indriawati Katherin, 2008).
Pada saat ini, alat yang dapat digunakan untuk mengukur pH air adalah colorimeter, pH indikator dan pH meter. Mekanisme pengamatan pada colorimeter dan pH indikator adalah dengan memasukkan alat ke dalam air kemudian perubahan warna yang terjadi akan menjelaskan apakah larutan tersebut termasuk ke dalam larutan asam atau basa. Kekurangan dari colorimeter dan pH indikator yaitu tidak dapat menjelaskan berapa nilai kandungan pH dalam larutan tersebut. Mekanisme pengamatan pada pH meter adalah dengan memasukkan alat ke dalam air kemudian akan muncul nilai pH dalam air pada layar pH meter. Pengamatan dari ketiga alat tersebut membutuhkan pengguna untuk melakukan pengamatan sehingga untuk pengamatan yang bersifat lanjut menjadi kurang efisien (Hach Company, 2010). Oleh karena itu, perlu adanya sebuah sistem yang mampu melakukan pengamatan secara berlanjut.
Internet Of Things atau yang lebih dikenal dengan IoT merupakan sebuah konsep yang bertujuan untuk memperluas manfaat dari konektivitas internet yang tersambung secara terus-menerus. Pada saat ini, bukan hanya
smartphone dan komputer saja yang dapat terhubung dengan internet namun benda-benda nyata dapat juga terhubung dengan internet menggunakan aktuator dan sensor (Mehta M , 2015). IoT memiliki fungsi monitoring dimana fungsi tersebut adalah fungsi yang berjalan secara terus-menerus dalam mengkoleksi data, mengolah data dan menampilkan data dari sebuah lingkungan(Mehta M , 2015). Fungsi
monitoring pada IoT membutuhkan beberapa komponen yaitu kontrol dan sebuah sensor untuk pengambilan data yang saling terhubung. Mekanisme pengiriman data menggunakan protokol websocket dimana protokol websocket
tidak memerlukan lagi pengenalan klien sehingga jumlah ukuran paket yang dikirimkan lebih sedikit dan dapat terjadi secara terus-menerus(D.Skvore, 2014).
Berdasarkan permasalahan yang disampaikan, pada penelitian ini penulis menggunakan analog ph sensor SEN1069 sebagai aktuator untuk mengkoleksi data pH air dan mikrokontroller Arduino. SEN1069 dapat mengamati pH air dengan range pH 0-14,
untuk melakukan pengamatan secara berlanjut(Dfrobot, 2017). Mikrokontroller arduino melakukan komputasi data analog hasil pengamatan dari sensor menjadi data digital. Data digital hasil dari komputasi menjadi payload data frame pada protokol komunikasi websocket. Mikrokontroller arduino memiliki mekanisme analog to digital conversion (ADC) yang mampu mengkonversi data analog voltase menjadi 10 bit angka dari 0-1023 (Hiesh Ming, 2016). Sehingga untuk membangun sebuah sistem monitoring dapat dilakukan dengan cara melakukan implementasi sebuah device
SEN1069 dan mikrokontroller arduino serta menggunakan mekanisme pertukaran data protokol websocket sehingga sistem dapat melakukan pengamatan secara berlanjut.
2. PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI
2.1. Gambaran Umum Sistem
Sistem menggunakan skema atau topologi yang ada pada protokol websocket yaitu skema klien dan server. Klien pada sistem adalah node sensor yang berperan sebagai pengambil dan pengolah data. Server pada sistem adalah sebuah laptop yang berperan sebagai penerima data dan menampilkan data yang telah dikirimkan. Untuk antarmuka komunikasi klien dengan server menggunakan access point. Node sensor terdiri dari mikrokontroller arduino dan sensor SEN1069. Sensor SEN1069 yang terhubung dengan arduino mengambil data pengamatan pada air kemudian arduino melakukan komputasi data hasil pengamatan yang dilakukan oleh sensor menggunakan mekanisme Analog to Digitasl Conversion. Kemudian data hasil komputasi menggunakan ADC diolah menjadi data digital yang mampu dikenali oleh pengguna. Arduino mengirimkan data hasil pengolahan yang berbentuk JSON ke server menggunakan metode komunikasi yang ada pada protokol websocket. Server
menampilkan data hasil pengamatan berbasis
Gambar 1 Gambaran Umum Sistem
2.2. Perancangan Sistem
Perancangan sistem terdiri dari perancangan node sensor dan perancangan server. Masing-masing perancangan terdapat perancangan perangkat keras dan perangkat lunak. Perancangan perangkat keras merupakan perancangan dari setiap device yang digunakan setiap bagian sistem. Sedangkan perancangan perangkat lunak adalah alur program pada setiap bagian sistem sesuai dengan peran dari bagian sistem itu sendiri.
Node sensor terdiri dari mikrokontroller Arduino, pH Circuit dan sensor SEN1069. Mikrokontroller Arduino berfungsi untuk mengatur sensor dalam mengambil data, mengolah data tersebut hingga mengirimkan data ke server. Dalam pengiriman data menuju ke server Arduino menggunakan ESP8266 sebagai wireless module sebagai penghubung antara node sensor dengan access point (AP). Sensor pH Probe SEN1069 sebagai akuisisi data sensor dihubungkan dengan pH Circuit melalui BNC Connector kemudian pH Circuit dihubungkan dengan Arduino. Power supply
yang digunakan pada mikrokontroller arduino adalah input USB dimana kabel USB terhubung dengan laptop untuk memonitor aktifitas mikrokontroller ketika berjalan. Pin yang dihubungkan ke mikrokontroller adalah pin A0, pin VCC 5V dan pin Ground. Kabel yang digunakan adalah kabel jumper untuk setiap pin yang terhubung. Adapun rangkaian pin-pin yang ada pada sensor, pH circuit dan mikrokontroller arduino dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2 Rangkaian Node Sensor (Dfrobot,2017)
Gambar 3 Diagram Alir pengambilan data pH
Node Sensor
Proses pada diagram alir pengambilan data bertujuan untuk mengolah data yang diperoleh dari sensor. Data pengamatan pada sistem ini terdiri dari 4 tahapan perubahan data yaitu data analog voltase , data digital voltase, data pH dan data JSON.
Tabel 1 Data Analog Voltase
Biner Desimal
0101100010 354
Data digital voltage adalah data hasil konversi data pHArray menjadi nilai voltase yang sesuai dengan arduino. Nilai data analog yang didapat sebelumnya adalah data voltase sensor yang berformat milivolt. Oleh karena itu pada data voltase ini akan mengkonversi data milivolt tersebut ke sebuah data volt sesuai dengan rumus Analog to Digital Conversion.
Adapun konversi data tersebut adalah sebagai berikut.
Data voltase = 𝑝𝐻𝐴𝑟𝑟𝑎𝑦∗5.0
1024 (1)
= 354∗5.0
1024
= 1,73
Tabel 2 Data digital voltase
Data Analog Sensor Data voltase 354 milivolt 1,73 volt
Data pH adalah nilai dari konversi data digital voltase menjadi nilai pH yang sesungguhnya. Data voltase dikonversi menjadi data pH menggunakan rumus seperti pada Gambar 3. Adapun perhitungan rumus tersebut adalah sebagai berikut.
pHValue = 3,5 * voltase + offset (2) = 3,5 * 1,73 + 0.00
= 6,55
Nilai offset adalah nilai tambahan agar error pada tingkat akurasi data dapat berkurang. Sedangkan nilai 3,5 adalah nilai koefisien atau nilai tetap yang digunakan untuk mengkonversi data voltase menjadi data PH. Berikut adalah nilai perbandingan voltase dan nilai PH.
Tabel 3 Data pH PH Voltase(V)
2 0-0,7
4 0,7-1,4
6 1,4-2,1
8 2,1-2,8
10 2,8-3,5
12 3,5,-4,2
14 4,2-4,9
Data JSON disini adalah format data untuk membunkus data pH dimana nanti akan dimasukkan ke dalam payload dataframe websocket. adapun format data JSON tersebut
Tabel 4 Data JSON JSON {
“sensor” : ‘’PH’’,
‘’pHValue’’ : ‘’pHValue’’ }
Selain itu terdapat program state pada node sensor. Program state pada node sensor
berfungsi untuk memberikan waktu tunggu(idle) untuk sensor mengkoleksi data. Adapun diagram alir program state pada node sensor dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3 Diagram state node sensor
Gambar 4 Diagram fungsi antarmuka web server
Bagian berikutnya adalah perancangan server. Sisi server berperan sebagai penerima data dan menampilkan data tersebut ke dalam sebuah interface monitoring menggunakan PC atau Laptop. Tampilan data sensor pada PC berupa sebuah tampilah web server. Pada sisi server terdapat 2 bagian perancangan yaitu
interface web server dan node.js.
digital conversion, dan Node Sensor. Monitoring merupakan menu utama dari sistem dimana menu ini untuk menampilkan pengamatan PH Air. Fungsi ini akan menampilkan data pengamatan yang diterima oleh server secara realtime. Tentang merupakan halaman tentang diri pengembang, ucapan terimakasih dan support dari beberapa pihak.
Gambar 5 Alur progam Node.js
Gambar 5 node.js berperan sebagai program server pada laptop melayani klien. Program dimulai dengan dengan server dalam kondisi idle yaitu menunggu koneksi dari klien. Klien meminta koneksi dan setelah koneksi terbangun maka pertukaran data bisa dilakukan. Komunikasi berakhir apabila klien meminta permintaan koneksi selesai dengan menggunakan perintah connection closed. Apabila data yang diterima adalah hasil pengamatan maka server akan menampilkan data tersebut dan jika data tersebut ingin dikirimkan ke klien lain maka server akan mengirimkan data tersebut sesuai alamat ip klien.
2.3. Implementasi Sistem
Implementasi sistem terdiri dari implementasi node sensor dan server.
Implementasi node sensor adalah pemasangan
device yang digunakan pada node sensor. Node sensor menggunakan arduino wemos d1 sebagai kontroller untuk melakukan kontrol terhadap sensor. Kontrol yang dimaksud adalah proses pengambilan data, pengolahan data dan pengiriman data ke server. Sensor yang
digunakan adalah sensor pH Probe SEN1069 yang mampu mendukung pembacaan analog voltase dan mengubahnya ke dalam bentuk digital sesuai dengan mekanisme Analog to Digital Conversion.
Selain itu, terdapat pH Circuit yang digunakan untuk menghubungkan sensor dengan mikrokontroller. Sensor dihubungkan ke pH Circuit menggunakan BNC Connector kemudian dari pH circuit menghubungkan diri ke mikrokontroller melalui pin-pin menggunakan kabel jumper. Pin-pin yang digunakan adalah pin A0 untuk pembacaan data analog, VCC 5V untuk power supply pH Circuit dan sensor serta GND atau ground
untuk menstabilkan tegangan atau voltase yang diperoleh dari sensor.
Gambar 6 Implementasi rangkaian node sensor
Gambar 7 Implemantasi perangkat keras server
Implementasi perangkat keras server menggunakan laptop sebagai tampilan yang digunakan pengguna untuk mendapatkan nilai yang didapat dari node sensor. Untuk dapat terhubung dengan node sensor, laptop akan terhubung dengan access point menggunakan jaringan wireless agar mendapat informasi dari node sensor.
3. PENGUJIAN DAN ANALISIS
3.1. Pengujian Sistem Dapat Membaca Data Analog Voltase yang diperoleh Sensor
apakah sistem yang dibangun mampu untuk membaca data analog voltase pH sensor sesuai dengan yang ada pada perancangan. Pengujian sensor dilakukan dengan cara mengambil sampel pada air dan menampilkan data analog voltase dari air tersebut. Adapun hasil dari pengujian ini adalah sebagai berikut.
Tabel 5 Hasil pengujian membaca data analog voltase
Nilai Analog Voltase Sensor 414
Hasil pengujian menunjukkan bahwa sistem mampu membaca data analog voltase yang diperoleh dari sensor.
3.2. Pengujian Sistem Dapat Membaca Nilai Digital Voltase yang diperoleh Sensor
Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui apakah sensor dapat mengubah data analog pada pengujian sebelumnya menjadi data pH. Hal ini perlu dilakukan karena data sebelumnya masih berupa data analog voltase sehingga tidak diketahui secara pasti berapa nilai pH sesungguhnya dari lingkungan sensor tersebut. Berikut adalah skenario yang digunakan pada pengujian ini.
Tabel 6 Skenario pengujian nilai digital voltase yang diperoleh dari sensor sensor terhadap data yang dikoleksi
2 Melakukan
pengujian pada larutan pH 4.3
Untuk mengetahui akurasi sensor terhadap data yang dikoleksi
3 Melakukan
pengujian pada larutan pH 8.9
Untuk mengetahui akurasi sensor terhadap data yang dikoleksi
Adapun hasil pengujian adalah sebagai berikut.
Tabel 7 Hasil pengujian skenario 1
Skenario 1
Tabel 8 Hasil pengujian skenario 2
Skenario 2
Tabel 9 Hasil pengujian skenario 3
Skenario 2
Dari hasil pengujian tersebut menunjukkan bahwa sensor mampu mengolah data analog voltase sensor.
3.3. Pengujian Sistem Mengirimkan Data pH
websocket dimana data JSON pada hasil pengujian sebelumnya menjadi payload dari dataframe tersebut. Hasil dari pengujian ini dapat dilihat pada gambar 7.
3.4. Pengujian Waktu Komputasi Sistem Pengujian ini adalah untuk mengetahui bagaimana performa komputasi mikrokontroller terhadap data yang di koleksi oleh sensor. Parameter untuk melihat performa komputasi sensor adalah waktu yang dibutuhkan sensor dari mulai mengkoleksi data hingga merubahnya ke dalam data berbentuk JSON. Skenario yang digunakan pada pengujian ini adalah sebagai berikut.
Tabel 10 Skenario pengujian waktu komputasi sistem
Skenario Tujuan
Sistem mengambil data sampel sebanyak 1000 data untuk setiap larutan (asam dan basa).
Untuk mengetahui rate komputasi perdetik ketika mengolah data pH.
Hasil dari pengujian waktu komputasi sistem dijelaskan pada Gambar 8..
Gambar 8 Hasil pengujian waktu komputasi larutan asam dan basa
Berdasarkan hasil pengujian diketahui bahwa waktu komputasi pada kedua larutan sama dimana pada larutan asam membutuhkan waktu komputasi 2,5 detik untuk 1000 data dan pada larutan basa membutuhkan waktu komputasi 2,5 detik untuk 1000 data. Hal ini membuktikan bahwa proses komputasi tidak bergantung pada jenis larutan namun pada proses perubahan dari data analog voltage sensor menjadi data JSON. Selain itu pada prosesnya arduino menghabiskan memori sebanyak 32376 bytes.
3.5. Pengujian Waktu Response Sistem Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana waktu response sistem ketika terjadi perubahan pada lingkungan sensor. Berikut adalah skenario yang digunakan pada pengujian ini.
Tabel 11 Skenario pengujian waktu response sistem
Skenario
Pengujian dilakukan terhadap larutan pH 7.00 kemudian ditambahkan larutan asam.
Pengujian dilakukan terhadap larutan pH 7.00 kemudian ditambahkan larutan basa.
adalah 8 detik dan dari pH 7.00 ke larutan asam membutuhkan waktu 16 detik sedangkan pH meter dari pH 7.00 ke larutan asam membutuhkan waktu 11 detik dan dari pH 7.00 ke larutan basa membutuhkan waktu 9 detik..
4. KESIMPULAN
Berdasarkan dari proses tahapan perancangan, implementasi, pengujian dan analisis maka, peneliti dapat mengambil kesimpulan sebagai berikut.
Proses komputasi pada sistem memiliki beberapa tahapan. Tahapan pertama dalah mengubah data digital voltase (409) menjadi digital(1.99). kemudian tahap kedua adalah mengubah data digital (1.99) menjadi nilai pHValue (7.00). kemudian tahap ketiga adalah mengubah nilai pHValue tersebut kedalam sebuah data JSON. Data digital voltase adalah data voltase yang dikenali oleh sensor. Data digital adalah nilai voltase dari sensor yang sesuai dengan mikrokontroller. Sedangkan pHValue adalah nilai kandungan pH pada larutan.
Waktu komputasi mikrokontoller terhadap data yang dikoleksi oleh sensor adalah 2,5 detik untuk 1000 data sampel baik pada larutan asam ataupun larutan basa. Dari hasil tersebut mikrokontroller arduino memiliki performa cukup cepat dalam mengkoleksi dan mengolah data. Selain itu, mikrokontroller arduino menghabiskan 231.149 bytes untuk keseluruhan program (FLASH) dan 32600 bytes untuk proses yang berjalan (SRAM).
Waktu yang dibutuhkan dari larutan pH 7.00 ke larutan asam adalah 16 detik sedangkan dari larutan pH 7.00 ke larutan basa adalah 8 detik. Hal tersebut menjelaskan bahwa sistem mampu menangani perubahan lingkungan yang terjadi pada sensor meskipun jika lingkungan berubah ke asam cenderung membutuhkan waktu yang sedikit lama.
5. DAFTAR PUSTAKA
Atlas Scientific LLC, 2016. PH Probe. Brooklyn, NY.
Barata , Daniel. 2013. System og acquisition,transmission , storage and visualiation of pulse Oximeter and ECG data using Android and MQTT. Atmega328P Analog to Digital Conversion Module. Department of Electrical Engineering, US: University of Southern California.
Indriawati, Katherin. 2008. Pembuatan Modul Kontrol Kualitas Air Tambak Udang Sebagai Sarana Pembelajaran Oerbaikan Teknik Budidaya Udang. Surabaya:Institut Teknologi Sepuluh November.
Iqbal, C.R Muhammad., Husni, R Muhammad., Studiawan, Hudan. 2012. Implementasi Klien SIP Berbasi WEB Menggunakan HTML5 dan Node.js. Surabaya:Institut Teknologi Sepuluh November.
Ludovici, Alessandro., Moreno, Pol., Calveras, Anna., 2013. TinyCoAP: A Novel Constrained Application Protocol (CoAP) Implementation for Embedding RESTful Web Services in Wireless Sensor Networks Based on TinyOS. I2CAT Foundation, Barcelona.
Lumentut, Hence Beedwel., Hartati, Sri., 2015. Sistem Pendukung Keputusan untuk Memilih Budidaya Ikan Air Tawar
Menggunakan AF-Topsis.
Yogyakarta:UGM.
Mehta, M. 2015. ESP8266: A Breakthrough in Wireless Sensor Networks and Internet Of Things. India: ARK Techno Solutions.
Ray , P.P . 2016. A Survey on Internet of Things Architectures. Department of Computer Applications, India: Sikkim University.
Richardson, Matt., Wallace, Shawn., 2012. Getting Started with Raspberry Pi. Maker Media, Inc.
Semiconductors, PHilips. 2003. I2C Manual. 3hour TecForum, San Jose CA.
Skvorc, D., Horvat, M. & Srbljic, S., 2014. Performance Evaluation of Websocket Protocol for Implemetation of Full-Duplex Web Streams. MIPRO
