22
METODE PENELITIAN
3.1 Gambaran Umum Sistem
Sistem ini merupakan sebuah prototipe alat pengukur kadar kualitas polusi udara yang bisa ditempatkan di pinggir jalan raya dengan 7-Segment sebagai media penampil informasi rangenya mulai dari 0000 ppm (part per milion) – 9999 ppm dan display LCD untuk menampilkan kualitas udara,sehingga pengguna jalan yang lewat bisa melihat secara langsung hasil deteksi gas beserta tingkat pencemaran udara ditempat tersebut, dan nilai yang tampil di 7-Segmen akan dikirimkan dengan komunikasi SMS (Short Massage Service) melalui Modem GSM isinya sesuai dengan tampilan pada display, informasi SMS akan dikirimkan dari sebuah Modem Serial menuju ke Modem yang terhubung dengan komputer dimana data yang diterima nantinya akan disimpan dalam database dan ditampilkan di komputer yang telah terhubung dengan Modem. Setelah datanya diterima di komputer disimpan dalam database dan selanjutnya data tersebut bisa disebarkan melalui berbagai media untuk memberikan informasi tentang tingkat polusi udara pada suatu tempat
3.2 Perancangan Perangkat Keras
Perancangan Keras meliputi blok diagram sistem dan pemilihan perangkat keras, dan blok design komponen.
3.2.1 Blok diagram
Blok diagram Alat Pemantau Polusi Udara dengan Komunikasi data menggunakan Modem GSM ditunjukkan pada gambar 3.0
Gambar 3.0 Diagram Blok Sistem Lingkungan /
Polutan
Sensor Gas Mikrokontroler
AVR
Display 7-Segment dan LCD
Modem GSM Modem GSM
PC Database
• Untuk gas polusi udara yang dideteksi nantinya akan diproses terlebih dahulu oleh sebuah rangkaian sensor dan kemudian nilai dari hasil pembacaan modul sensor berupa data analog diubah menjadi data digital oleh ADC internal dari modul sensor.
• Data digital dari sensor ini berupa input I2C kemudian akan diproses oleh mikrokontroler Atmega8535
• Data yang telah diproses oleh mikrokontroler kemudian akan ditampilkan melalui modul 7-Segment berupa jumlah konsentrasi gas polusi udara, dan melalui komunikasi serial,
• Data yang telah diproses oleh mikrokontroler ini juga dihubungkan ke Modem GSM untuk kemudian dikirim ke modem yang terhubung dengan PC berupa pesan SMS dan ditampilkan dalam komputer tersebut sehingga datanya bisa dishare
3.2.2 Pemilihan Perangkat Keras
Untuk pemilihan komponen atau perangkat keras menggunakan modul – modul elekronika yang sudah jadi yang sudah terdapat dipasaran sehingga memudahkan untuk pemrograman, pemasangan, dan uji coba.
3.2.2.1 Modul mikrokontroler AVR
Penggunaan microcontroller jenis AVR (Alf and Vegard’s Risc processor) saat ini sudah beredar dipasaran berupa modul single chip dengan basis mikrokontroler AVR. Pada rancangan ini membutuhkan modul mikrokontroler AVR untuk pembacaan hasil sensor,pengendalian tampilan 7- Segment, serta komunikasi data serial. Oleh karena itu digunakan Modul
Mikrokonroller kemampuan untuk melakukan komunikasi data serial secara UART RS-232 serta pemrograman memori melalui ISP(In-System Programming).
Jenis AT Mega-8535 yang berbasis RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz. Dengan ukuran memori flash 8 KB, SRAM sebesar 512 byte, EEPROM sebesar 512 byte. Dilengkapi dengan fitur ADC internal dengan resolusi 10 bit sebanyak 8 channel, port komunitas serial USART dengan kecepatan maksimal 2,5 Mbps. Mikrokotroler AT Mega-8535 memiliki mode sleep untuk penghematan penggunaan daya listrik.
Gambar 3.1 Skema Rangkaian Modul Mikrokontroler
Gambar 3.2 Tata Letak Modul Mikrokontroler
3.2.2.2 Modul Sensor Gas
Alat ini dirancang dengan menggunakan suatu sensor gas untuk mendeteksi konsentrasi gas yang ada di udara. Perubahan daya konduksi pada sensor akan mengakibatkan perubahan hambatan output sensor.Oleh karena itu digunakan Modul Sensor Gas. Modul Sensor Gas merupakan sebuah modul sensor cerdas yang mampu memonitor perubahan konsentrasi gas LPG, iso-butana, propane, CO(Carbon Monoksida), CO2 (karbon dioksida), CH4 (metana), Alkohol, atau kualitas udara tergantung dari sensor yang digunakan.
Modul ini kompatibel dengan sensor gas MQ-3 (alkohol), MQ-4 (metana), MQ-6 (LPG, iso-butana, dan propana), MQ-7 (CO), MQ-135 (kualitas udara), dan MG-811 (CO2). Selain itu, modul sensor cerdas ini dapat berfungsi sebagai kendali konsentrasi gas mandiri secara ON/OFF
mengikuti setpoint yang ditentukan. Modul sensor ini dilengkapi dengan antarmuka UART TTL dan I2C.
Gambar 3.3 Modul sensor gas
Pada modul sensor gas diatas terdapat 2 buah LED indikator yaitu LED indikator merah dan LED indikator hijau. Pada saat power-up, LED merah akan berkedip sesuai dengan alamat I2C modul. Jika alamat I2C adalah 0xE0 maka LED indikator akan berkedip 1 kali. Jika alamat I2C adalah 0xE2 maka LED indikator akan berkedip 2 kali. Jika alamat I2C adalah 0xE4 maka LED indikator akan berkedip 3 kali dan demikian seterusnya sampai alamat I2C 0xEE maka LED indikator akan berkedip 8 kali. Pada saat power-up, LED hijau akan berkedip dengan cepat sampai kondisi pemanasan sensor dan hasil pembacaan sensor sudah stabil.
Waktu yang diperlukan untuk mencapai kondisi stabil berbeda-beda untuk tiap sensor yang digunakan tergantung pada kecepatan respon sensor dan kondisi heater pada sensor. Jika kondisi stabil sudah tercapai, maka LED
hijau akan menyala tanpa berkedip.Pada kondisi operasi normal (setelah kondisi power-up), LED merah akan menyala atau padam sesuai dengan hasil pembacaan sensor dan mode operasi yang dipilih. Sedangkan selama hasil pembacaan sensor stabil, LED hijau akan tetap menyala dan hanya berkedip pelan (tiap 1 detik) jika ada perubahan konsentrasi gas.
Modul sensor gas diatas juga memiliki 1 pin output open collector yang status logikanya akan berubah-ubah, sesuai dengan hasil pembacaan sensor gas dan batas atas serta batas bawah yang telah ditentukan. Pin output ini dapat dihubungkan dengan aktuator (exhaust atau alarm) sehingga modul ini dapat berfungsi sebagai pemonitor konsentrasi gas secara mandiri. Modul ini memiliki antarmuka UART TTL dan I2C yang dapat digunakan untuk menerima perintah atau mengirim data.
Antarmuka TTL
Parameter komunikasi UART TTL adalah sebagai berikut:
• 38400 bps
• Tanpa bit parity
• 8 bit data
• Tanpa flow control
• 1 bit stop
Semua perintah yang dikirim melalui antarmuka UART TTL dimulai dengan mengirim 1 byte data yang berisi <nomor perintah> dan (jika diperlukan) n-byte data parameter perintah. Jika perintah yang telah dikirimkan merupakan perintah yang meminta data dari modul,maka modul akan mengirimkan data melalui jalur TX TTL
Antarmuka I2C
Modul sensor gas memiliki antarmuka I2C. Pada antarmuka I2C ini, modul ini bertindak sebagai slave dengan alamat sesuai dengan telah ditentukan sebelumnya. Alamat default adalah 0xE0 menggunakan jalur komunikasi UART. Antarmuka I2C pada modul mendukung bit rate sampai dengan maksimum 100 kHz. Semua perintah yang dikirim melalui antarmuka I2C diawali dengan start condition dan kemudian diikuti dengan pengiriman 1 byte alamat modul. Setelah pengiriman alamat, selanjutnya master harus mengirim 1 byte data yang berisi <nomor perintah> dan (jika diperlukan) n- byte data parameter perintah.
Selanjutnya, setelah seluruh parameter perintah telah dikirim, urutan perintah diakhiri dengan stop condition.Berikut urutan yang harus dilakukan untuk mengirimkan perintah melalui antarmuka I2C. Jika perintah yang telah dikirimkan merupakan perintah yang meminta data dari modul, maka data- data tersebut dapat dibaca dengan mengunakan urutan perintah baca. Berikut urutan yang harus dilakukan untuk membaca data dari modul sensor gas.
Gambar 3.4 Urutan Tulis Melalui I2C
Jika perintah yang telah dikirimkan merupakan perintah yang meminta data dari modul, maka data-data tersebut dapat dibaca dengan mengunakan urutan perintah baca. Berikut urutan yang harus dilakukan untuk membaca data modul sensor gas.
Gambar 3.5 Urutan Baca Melaui I2C Modul Sensor Gas
Sebuah data/parameter yang memiliki range lebih besar dari 255 desimal (lebih besar dari 1 byte) dikirim secara dua tahap. Satu byte data MSB dikirim lebih dahulu kemudian diikuti dengan data LSB. Misalnya parameter <dataSensor> yang memiliki range 0 – 1023. Untuk menentukan kualitas udara digunakan sensor MQ – 135 atau modul sensor gas 1.
3.2.2.3 Display 7-Segment
Untuk menampilkan nilai dari konsentrasi gas yang dideteksi oleh sensor dalam satuan ppm bisa memakai LCD grafik 16x2 atau 7-Segment.
Agar nilai bisa terbaca lebih jelas maka dipilih display modul 7-Segment berupa BCD (Binary Coded Decimal) dengan output berupa tampilan 2 angka desimal (0-9) untuk tiap Segment sehingga output tampilan total modul
adalah 00-99.Untuk rancangan alat ini menggunakan 6x2 modul 7-Segment dengan 6 port enable / port control
Gambar 3.6 Skema Rangkaian Modul BCD 7-Segments
3.2.2.4 Modul LCD Display
Modul LCD Display merupakan modul LCD 16 karakter x 2 baris.
Modul ini mempermudah penggunaan LCD karakter 16x2 dengan hanya menghubungkannya dengan sebuah port I/O pada mikrokontroler atau mikroprosesor.
Gambar 3.7 Skema Rangkaian Modul LCD
3.2.2.5 Modem Serial dan USB
Sebuah modem GSM (Global System for Mobile Communications) dibutuhkan untuk dapat mengirimkan data serial dari mikrokontroler ke handphone atau Modem USB yang terhubung dengan komputer. Oleh karena itu digunakan Modem Wavecom Fastrack Serial dan USB. Modem Wavecom Fastrack ini di Indonesia cukup dikenal digunakan pada industri bisnis rumahan dan bahkan skala besar mulai dari fungsi untuk kirim SMS massal hingga fungsi sebagai penggerak perangkat elektronik.
Gambar 3.8 Modem Wavecom Fastrack 1306B Serial dan USB
3.2.2.6 Level Converter RS-232 Eksternal
Karena pada modul mikrokontroler tidak memiliki level konverter internal untuk komunikasi serial maka diperlukan suatu rangkaian Level converter RS-232 eksternal untuk komunikasi serial antara mikrokontroler dengan Modem GSM yang berfungsi untuk menyamakan tegangan mikrokontroler dengan Modem GSM.
Gambar 3.9 Skema Rangkaian Level Converter RS-232 Eksternal
3.2.2.7 Power Supply
Untuk supply alat ini digunakan Switching Regulator berkapasitas 12 Volt 2 Ampere yang menggunakan supply dari PLN,akan tetapi dalam implementasi yaitu mengukur tingkat polusi udara di jalanan maka digunakan batterai aki berkapasitas 12 Volt 7 Ah untuk pengambilan data artinya 12 Volt 7 Ampere hour artinya bila digunakan 1 ampere 1 jam maka batterai ini akan tahan 7 jam dengan tegangan listrik DC 12 V dan seterusnya bisa diisi ulang apabila kapasitas aki tersebut habis.
Gambar 3.10 Switching Regulator dan Batterai Aki
3.3 Perancangan Perangkat Lunak
Dalam membuat perangkat lunak yang pertama harus adalah menentukan alur programnya. Setelah dibuat diagram alir atau flowchart maka dapat dibuat realisasi programnya. Pada diagram alir ini terdiri dari 3 bagian :
1. Diagram alir keseluruhan dari alat monitor pengukur kualitas udara, 2. Diagram alir ubah alamat sensor gas,
3. Diagram alir komunikasi data hasil deteksi menggunakan Modem GSM.
3.3.1 Diagram Alir
3.3.1.1 Diagram Alir Program Utama
Gambar 3.11 Diagram Alir Program Utama Mulai
IIMenunggu Inisialisasi Sensor
IMengirim data hasil deteksi lewat Modem GSM
Menampilkan angka 0000 ppm
di 7-Segment
Menampilkan hasil deteksi sensor ke 7-
Segment
Selesai Apakah Sensor
Stabil
Lakukan Deteksi gas
Terima data dengan Aplikasi C# dan Simpan di database
Tidak
Ya
Pada saat program pertama kali dijalankan, sensor akan melakukan proses inisialisasi sensor dengan memanaskan heater di modul sensor ditandai indikator LED hijau berkedip selama beberapa detik sampai LED hijau menyala stabil, bila belum stabil maka angka di 7-Segment menunjukan angka 0000, selanjutnya jika sudah stabil maka sensor akan bekerja mengukur kualitas udara dengan menggunakan ADC internal sensor sehingga data yang akan dibaca oleh mikrokontroler sudah berupa data I2C yang diparalel, data I2C yang dibaca oleh mikrokontroler akan ditampilkan di 7-Segments untuk menunjukan jumlah konsentrasi gas pada suatu tempat, kemudian datanya juga dikirim melalui komunikasi serial mikrokontroler ke Modem GSM dan akan diterima komputer yang terhubung dengan Modem USB kemudian data akan disimpan dalam bentuk database.
3.3.1.2 Diagram Alir Ubah Alamat Tulis Lewat UART Modul Sensor Gas dan tampilkan melalui I2C ke display 7-Segment
Gambar 3.12 Diagram Alir Program ubah alamat sensor Mengisi Program di
Eeprom modul Sensor dengan Alamat Tulis yang berbeda – beda
Ubah Alamat Tulis modul sensor lewat
jalur UART
Selesai
Mempunyai alamat awal secara default 0xE0
Mulai
Menunggu Inisialisasi Sensor
Tidak bisa Baca I2C sensor karena alamat tulis sama
Baca hasil deteksi lewat I2C Sensor
Tampilkan ke display 7- Segment
Tidak
Ya
Agar ke tiga modul sensor tersebut bisa diparalel terlebih dulu harus diganti alamat tulis, secara default awal alamat tulis dari modul sensor adalah 0xE0, tetapi berdasarkan manual book modul sensor gas ini bisa diganti alamat tulis dengan delapan macam alamat seperti 0xE0 0xE2 0xE4 0xE6 0xE8 0xEA 0xEC agar ke tiga sensor tersebut bisa paralel dalam jalur I2C ke mikrokontroler. Selanjutnya data dari sensor yang dibaca oleh mikrokontroler untuk ditampilkan ke display 7-Segment
3.3.1.3 Diagram Alir Komunikasi data serial
Data yang telah diproses oleh mikrokontroler ini juga dihubungkan ke Modem GSM untuk kemudian dikirim Modem USB yang terhubung ke komputer berupa pesan SMS, setelah pesan SMS diterima maka akan disimpan dan ditampilkan komputer untuk kemudian data ini bisa disharing
3.3.1.3.1 Diagram Alir Kirim data SMS dengan AT-Command
Gambar 3.13 Diagram Alir kirim data SMS dengan AT-Command
Dengan perintah AT+CMGF=1 akan membuat pengiriman data dalam bentuk teks, lalu masukan nomor tujuan diawali dan akhiri dengan tanta petik (“ ”) dengan perintah AT+CMGS = “nomor tujuan” lalu enter dengan memasukan karakter ASCII
Mulai
selesai Menggunakan AT+CMGF = 1 Untuk
atur mode teks
Memasukan Nomor Tujuan dengan
AT+CMGS = “no tujuan”
Membaca hasil deteksi sensor dengan I2C
Kirim dengan putchar(26) = kode Ascii dari ctrl+z
13 lalu masukan variable dari baca sensor kemudian kirim dengan perintah menulis karakter ctrl+z yaitu kode ASCII 26
3.3.1.3.2 Diagram Alir terima data SMS dengan aplikasi dari program C#
Gambar 3.14 Diagram Alir terima data sms dengan Aplikasi menggunakan C#
Isi Aplikasi C# List Box kosong
Hapus SMS / DATA yang ada di List Box
Mulai
Selesai Mengatur Port
dan Baudrate untuk Inisialisasi
Menyimpan DATA / SMS ke Database yang ada di List Box
Membaca SMS / DATA Klik read tampilkan di List Box Aplikasi C#
Cek apa ada SMS yang masuk Mengaktifkan
Aplikasi C#
Tidak
Ya
3.3.2 Perancangan Aplikasi terima data SMS dan Database
Modem GSM Wavecom (USB interface) dihubungkan ke PC/Laptop. Setelah itu jalankan aplikasi untuk menerima SMS (yang dibuat di Microsoft Visual C# 2010). Setelah masuk aplikasinya, kemudian atur Port (seperti mengatur port setting pada Hyperterminal). Untuk mengecek port name mana yang tersambung, dapat mengeceknya melalui device manager. Baudrate yang digunakan adalah 9600, Data bits = 1, Stop Bits =1, dan Parity Bit dibuat “none”.
Gambar 3.15 Setting Port dan Baud Rate untuk memulai aplikasi
Setelah tersambung diklik “Connect” maka akan muncul tab Read SMS, bisa lanngsung klik tombol Read, Jika ada SMS yang masuk maka SMS tersebut akan ditampilkan di List Box, sedangkan jika tidak ada SMS
yang masuk maka List Box akan tetap kosong. Ketika SMS yang masuk dibaca maka akan ditampilkan di List Box kemudian secara otomatis akan disimpan pada file MS Access (database )
Gambar 3.16 Tampilan Aplikasi C# untuk Terima SMS
Gambar 3.17 Tampilan database Ms Acces untuk simpan data
Data diterima dan disimpan didalam database Ms Acces dimana informasi dari pesan SMS tersebut dibagi berdasarkan field yang telah dibuat di Ms Access. Field tersebut antara lain Waktu (waktu penerimaan pesan), ID (nomor pengirim), No_CO2_Asap (target gas untuk Air Quality Sensor), CO (memuat pengukuran Karbon monoksida), Methane (memuat pengukuran gas metana/CH4), Kualitas Udara (field ini berisi informasi kategori kualitas udara berdasarkan data dari NO_CO2_Asap)[1], serta lokasi (field ini berisi informasi dimana lokasi penempatan sensor).
3.4 Rancang Bangun
Rancangan dibuat sedemikian rupa agar menjadi sebuah prototipe papan nilai yang menunjukan jumlah konsentrasi gas dalam satuan ppm, sensor1 yaitu sensor MQ-135 (kualitas udara), sensor2 MQ-7 (CO), Sensor3 MQ-4 (Methane) hasil sensor ditampilkan ke modul BCD 7-Segment yang telah dicascade port datanya terhubung ke PortA, dan untuk menyalahkan 1 modul, pin enablenya harus dihubungkan ke salah satu PortB yakni PB.0 – PB.5 di modul mikrokontroler, PortC dihubungkan dengan modul display LCD untuk menunjukan kualitas udara, dan port serial dihubungkan dengan Modem GSM
3.4.1 Rancang bangun sketsa tampak dasar dan bawah
Gambar 3.18 Sketsa rancangan tampak dasar
Gambar 3.19 Sketsa rancangan tampak bawah 40 cm
25 cm Tampak dasar
40 cm
Tampak bawah
3.4.2 Rancang bangun sketsa penutup layer atas
Gambar 3.20 Sketsa penutup tampilan alat
3.4.3 Rancang bangun alat keseluruhan
Gambar 3.21 Sketsa tampilan alat
3.4.4 Tampilan rancangan alat keseluruhan
Gambar 3.22 Tampilan alat
