APLIKASI WIRELESS SENSOR ESP8266 UNTUK SMART HOME
Teknologi IOT telah tumbuh berkembang pesat di dunia. Teknologi ini terdapat pada Smart City, Smart Grid, Smart Home Automation dan Mobil. IOT pada sistem Smart Home Automation digunakan untuk melihat konsumsi pemakaian listrik dan suhu-kelembapan ruangan setiap saat. Dalam tulisan ini kami mengusulkan IoT berbasis wireless sensor network yang bisa kita bangun menggunakan menggunakan Raspberry pi, ESP8266, ADC ADS1115, DHT 22, ACS712 dan ZMPT101B. Wireless sensor network ini akan membaca secara otomatis untuk arus dan tegangan beserta suhu dan kelembapan. Data arus dibaca oleh sensor ACS712, data tegangan dibaca oleh sensor transformator ZMPT101B. Data analog tersebut dikonversi menjadi digital menggunakan ADC ADS1115 yang kemudian dibaca ESP8266. Sedangkan data suhu dan kelembapan dibaca oleh DHT 22 yang langsung dikirim ke ESP8266. Data-data yang dibaca tersebut akan dikirim ke server web oleh ESP8266 menggunakan protokol MQTT. Data akan di-update terus menerus di webserver raspberry pi. Hasil akurasi pengukuran suhu dari sistem yang dirancang adalah 97,15% sedangkan pengukuran kelembapan adalah 80,17% . Akurasi pengukuran tegangan terhadap tampilan webserver adalah 98,014% dan untuk arus sebesar 97,802% %.
Kata kunci:Raspberry pi, MQTT, DHT22, ACS712,ZMPT101B
1. Pendahuluan
TeknologiInternet Of Thingsakan membuat sebuah rumah konvensional menjadismart home, dimana secara efektif semua device saling terhubung dengandevice yang lain. Perangkat elektronik khususnya sensor mengalami perkembangan menjadi lebih baik untuk bekerja sesuai dengan kebutuhan manusi. Sebagai contoh, sistem smart home ini dapat mengendalikan dan memantau kelembapan, konsumsi daya, peralatan rumah tangga, pemanasan dan ventilasi, dan lain-lain. Kontrol cerdas ini meningkatkan kualitas hidup dan kehidupan secara signifikan, dan mengarah pada penggunaan energi yang lebih efisien[1]. Efesiensi dan penghematan energi menjadi masalah utama akibat dari peningkatan konsumsi, harga dan perubahan lingkungan.
Penelitian tentang listrik rumah tangga merupakan topik penting di bidang penelitian konsumsi energi. Penggunaan listrik yang berlebihan dapat terkontrol dengan adanya sistem smart home ini. Pengguna dapat memantau kondisi arus, tegangan suhu dan kelembapan melalui jaringan internet.
Berbagai penelitian mengenai monitoring energi banyak dilakukan. Penelitian [2] menggunakan mikrokontroller AT32UC3B0128, sebuah mikrokontroller 32 bit dan menggunakan protokol MQTT. Penelitian [3] menggunakan Radio Frekuensi KYL-102 sebagai media komunikasinya dan Labview sebagai media monitoringnya. Dalam penelitian ini, Protokol MQTT digunakan sebagai protokol untuk mengirimkan data ke MQTT broker. Pengiriman ini dapat melalui jaringan internet maupun jaringan lokal /ethernet [4]. Web sebagai media monitoringnya menggunakan Node-red yang dapat diakses dari manapun.
2. Metode Penelitian
Raspberry PI
Gambar 1.Blok diagram rancangan sistem
2.1. Perancangan Hardware
IC ESP8266 hanya mempunyai sebuah ADC internal yang mempunyai resolusi 11 bit, sehingga peneliti menggunakan ADC eksternal untuk membaca beberapa sensor analog. ADC yang digunakan adalah ADS1115 yang mempunyai resolusi 16 bit 4 channel[5].
Gambar 2.Antarmuka ESP8266 dengan ADS1115
Gambar 2dapat kita lihat bahwa pin D1 / GPIO5 ESP8266 disambungkan ke pin SCL ADC1115, D2 / GPIO4 ke SDA,VCC ke VDD dan GND ke GND. ADDR dihubungkan ke VDD yang menurut lembar data ADS1115, mempunyai alamat 0x48. IC ini dapat dikonfigurasi sebagai 4 kanal input single-ended dan dua kanal deferensial. ADC ini digunakan unttuk membaca data arus dari sensor ACS712 dan data tegangan dari sensor tegangan ZMPT101B.
Data arus yang ditampilkan pada aplikasi Node-Red, merupakan hasil akhir proses perubahan data arus mulai dari pembacaan arus dengan sensor ACS712, perubahan bentuk sinyal dan tegangan dengan rangkaian pengkondisi sinyal, pembacaan data analog menjadi data digital dengan bantuan ADC + mikrokontroller[1]. Proses ini dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Alur proses data arus beban hingga menjadi tampilan Node-Red
Sensor ACS712-05 ini dapat memberikan pengukuran arus yang presisi baik untuk sinyal AC maupun DC. Pada sistem ini, arus yang diukur adalah arus AC pada pemakaian beban rumah tangga. Semua pemakaian listrik di rumah akan dipantau nilai arusnya melalui sensor ini. Batas pemakaian maksimal yang dapat diukur dengan menggunakan sensor ini adalah 5 A.
Pin terminal sensor ini terdiri dari GND, VCC dan VOUT. Keluaran dari sensor ini adalah sinyal sinus dengan tegangan offset 2,5 volt. Berdasarkan datasheet, ACS712-5A mempunyai sensitifitas 180mV/A. IC ini dapat mengukur 5 A, sehingga tegangan maksimalnya adalah 185mVx5A =0,95Volt. Agar sensitifitas sensor menjadi besar maka harus diperkuat dengan rangkaian non inverting. Sinyal ini terdapat noise frekuensi tinggi, sehingga diperlukan sebuah low pass filter dengan Fc = 1k[6].
Dari Persamaan 1 didapatkan R = 1k dan C = 150nF. Kemudian untuk menghilangkan tegangan offset 2,5 volt, maka diperlukan sebuahhighpass filter. Nilaifrekuensi cut-off(fc) filter yang ditetapkan adalah 0,2 Hz. Dari persamaan 1 didapatkan nilai R = 820K dan C = 1uF. Sinyal yang keluar adalah sinyal AC dengan frekuensi 50hz. Sinyal ini masuk ke rangkaian penguat 2,5x penyearah sekaligus detektor puncak dan masuk ke rangkaian komparator. Keluaran sinyal dari penguat adalah tegangan DC[7].
.Gambar 4. Rangkaian sensor ACS712 dan pengkondisi sinyal
Gambar 5. Pengukuran tegangan listrik dengan sensor trafo ZMPT101B
Modul ZMPT101B adalah modul sensor tegangan yang terdiri dari trafo dan rangkaian elektronik. Keluaran dari modul ini adalah sinyal sinus dengan tegangan offset 2,5 volt. Rangkaian untuk pengkondisi sinyal sensor tegangan ini sama persis dengan rangkaian pengkondisi sinyal sensor arus. Diagram alur proses data tegangan beban hingga menjadi tampilan Node-Red juga sama dengan alur proses arus.
Sensor yang ketiga adalah sensor suhu-kelembapan. DHT 22 merupakan sensor yang dapat mengukur suhu dan kelembapan. DHT ini terdiri dari 3 buah pin yaitu GND, +5V dan satu jalur data. Data di clock keluar dan masuk melalui satu jalur ini. Satu jalur ini digunakan untuk memberikan perintah dan mengeluarkan data suhu-kelembapan[8][9]. Sensor DHT22 dapat dilihat pada
Gambar 6. Sensor suhu-kelembapan DHT22.
Rangkaian untuk antarmuka DHT22 dapat dilihat padaGambar 6. Pin data pada DHT22 harus dipul-upresistor sebesar 4.7k – 10k dan langsung dihubungkan ke pin GPIO2 ESP8266.
2.2. Perancangan Program ESP8266
Perancangan program ESP8266 ini membutuhkan packet library antara lain ESP8266WiFi, ESP8266mDNS, PubSubClient, DHT, Adafruit_ADS1015 dan ESP8266WebServer [2].
Pi). Jika ESP8266 tidak menemukan SSID yang terdaftar dan tidak mempunyai IP MQTT Broker, maka program akan kembali ke awal. Proses ini berulang hingga ESP8266 menemukan SSID dan IP MQTT Broker. Mode AP akan mati, berganti ke mode Station saja, jika AP dan MQTT Broker sudah terhubung. ESP8266 mengirimkan topik /test/suhu, /test/kelembapan, /test/arus, /test/tegangan,
Sensor DHT22 dibaca dengan library DHT, untuk membaca suhu dan kelembapan. Suhu menghasilkan derajat celcius dan kelembapan dalam bentuk persen. ADC ADS1115 dibaca dengan libraryAdafruit_ADS1015. Data arus dan tegangan dari ADC ini, langsung dikirimkan ke MQTT broker.
Gambar 7. Flowcartprogram ESP8266
2.3. Perancangan Aplikasi Node-RED
Perancangan webserver penampil sensor menggunakan aplikasi Node Red sebagai monitoringnya. Dalam perancangan tersebut, interface dibuat sedemikian rupa sehingga terlihat baik dan menarik. Aplikasi node-red dibuat untuk melakukan hal-hal berikut antara lain :
1. Menangkap topik danpayload dari MQTT broker[2] [10]
2. Menterjemahkanpayloaddari topik-topik tadi kedalam nilai yang bisa dipahami. 3. Menampilkan data dalam bentuk grafik dan indikator lain.
4. Menampilkan data suhu-kelembapan, arus, tegangan 5. Menyimpan selama sebulan data-data yang telah direkam.
Gambar 8. Tampilan pengaturan web Node-Red
Topik diisikan setiap topik yang sudah ditetapkan di program ESP8266, antara lain seperti padaTabel 1.
Tabel 1.MQTT topik dari sistem
Topik Fungsi
/test/suhu Data suhu dari sensor DHT22
/test/kelembapan, Data kelembapan dari sensor DHT22
/test/arus, Data arus dari sensor ACS712 dan pengkondisi sinyal /test/tegangan Data arus dari sensor ZMPT101 dan pengkondisi sinyal
Node yang berwarna orange merupakan nodefunction,digunakan untuk mengubah nilaipayload menjadi nilai yang diinginkan untuk ditampilkan pada node gouge dan node chart. Node function ini digunakan untuk mengubah nilai ADC arus dan tegangan yang dikirim dari ESP8266 menjadi data arus dan tegangan sebenarnya.
3. Hasil Penelitian dan Pembahasan 3.1. Pengujian sensor arus ACS712
Pengujian ini bertujuan untuk memastikan apakah sensor arus ACS712 dapat digunakan dengan baik. Pengujian dilakukan dengan menggunakan beban variable resistor berdaya besar dan resistor-resistor yang dihubung seri dan paralel. Beban, sumber tegangan dan sensor dipasang dengan rangkaian seri. Gambar 9 menunjukkan sinyal keluaran sensor arus ACS712 yang dibaca dengan osiloscop.
.
Gambar 9. Tampilan Sinyal keluaran ACS712
Selanjutnya dilakukan pengujian antara pembacaan arus beban (diukur dengan ampermeter AMPROBE 33XR-A), tegangan keluaran rangkaian pengkondisi sinyal (diukur dengan voltmeter Sanwa CD800a) dan nilai konversi tegangan keluaran pengkondisi sinyal (nilai ADC). Tabel 1 menyajikan perbandingan arus beban, tegangan keluaran rangkaian pengkondisi sinyal dan nilai ADC.
Tabel 2.Perbandingan arus pembacaan Ampermeter, tegangan keluaran pengkondisi sinyal dan Nilai ADC. Arus
0,44 0,359 2869 1,7 0,969 7744
0,55 0,41 3276 2,27 1,243 9934
0,62 0,451 3604 2,33 1,274 10182
0,69 0,48 3836 2,48 1,356 10837
0,79 0,528 4219 3,39 1,96 15664
0,84 0,558 4459 3,42 1,979 15816
1,06 0,663 5298 3,62 2,15 17183
1,11 0,697 5570 3,74 2,238 17886
1,23 0,745 5954 3,89 2,366 18909
1,3 0,777 6209 4,01 2,5 19980
1,5 0,868 6937 4,4 2,814 22490
1,7 0,969 7744 4,6 2,96 23656
Data tabel 1 diubah menjadi grafik pada Gambar 10. Gambar 10.a. menyajikan perbandingan arus beban dengan tegangan keluaran pengkondisi sinyal. Gambar 10.a. menunjukkan bahwa arus pembacaan mengalami kenaikan dan tegangan keluaran juga mengalami kenaikan, maka dapat disimpulkan bahwa rangkaian pengkondisi sinyal dapat bekerja dengan baik.
A b
Gambar 10. Grafik perbandingan arus beban, tegangan keluaran pengkondisi sinyal dan nilai ADC
Gambar 10.b menyajikan perbandingan arus beban dengan nilai ADC. Nilai ADC yang dihasilkan akan dibandingkan dengan arus beban untuk mendapakan rumus konversi. Dengan bantuan excel pada fasilitastrendline, didapatkan rumus konversi dari nilai ADC menjadi nilai arus pada Persamaan 2.
= −0,000000004 ∗ ADC + 0,0003 ∗ ADC − 0,4232 (2)
Persamaan 2 ini diletakkan di aplikasi Node-Red, sehingga ESP8266 hanya mengirimkan data berupa nilai ADC dari pembacaan pengkondisi sinyal. Pengujian selanjutnya adalah membandingkan arus beban dengan arus tampilan Node-Red. Tabel 3 menyajikan perbandingan arus beban dengan arus tampilan Node-Red, hasil dari rumus Persamaan 2. Kesalahan relatif antara arus beban dengan arus tampilan node-red sebesar sekitar 2,19828% atau akurasinya 97,802%.
Tabel 3.Perbandingan Arus pembacaan Ampermeter dengan tampilan Node-red
0,44 0,404575 8,756006 1,7 1,690982 0,533308
0,55 0,547531 0,450879 2,17 2,10785 2,948502
0,62 0,636905 2,654202 2,27 2,193123 3,505387
0,69 0,6996 1,372271 2,33 2,247568 3,667632
0,79 0,80216 1,515926 2,48 2,388998 3,809224
0,84 0,865829 2,983183 3,39 3,325416 1,94212
1,06 1,084785 2,284765 3,42 3,351877 2,032397
1,11 1,15456 3,859512 3,62 3,581538 1,073895
1,23 1,25206 1,76186 3,74 3,693824 1,250086
1,3 1,316153 1,22731 3,89 3,850159 1,034792
1,38 1,407732 1,969997 4,01 4,004858 0,128384
1,5 1,496272 0,249144 4,3 4,233847 1,562475
1,7 1,690982 0,533308 4,4 4,33146 1,582386
3.2. Pengujian Sensor trafo
Pengujian sensor trafo dilakukan dengan menggunakan Adjustable Voltage Regulator dari tegangan rendah ke tegangan tinggi. Pengujian antara pembacaan tegangan beban (diukur dengan voltmeter Sanwa CD800a), tegangan keluaran rangkaian pengkondisi sinyal (diukur dengan voltmeter Sanwa CD800a) dan nilai konversi tegangan keluaran pengkondisi sinyal (nilai ADC) ditampilkan di komputer.
Tabel 4.Perbandingan tegangan pembacaan voltmeter, tegangan keluaran pengkondisi sinyal dan nilai ADC.
Tegangan Beban
(Volt)
Tegangan keluaran
(Volt)
Nilai ADC
36,7 0,539 4307
43 0,61 4875
48 0,676 5402
49 0,697 5570
52,1 0,712 5690
78,7 1,002 8008
92 1,132 9047
95 1,175 9390
101,4 1,249 9982
112,4 1,383 11053
119,4 1,438 11492
149,7 1,973 15768
154,6 2,014 16096
178,7 2,49 19900
212 3,071 24544
223,8 3,106 24823
a b
Gambar 11. Grafik perbandingan tegangan beban, tegangan keluaran pengkondisi sinyal dan nilai ADC
Gambar 11.a. menyajikan perbandingan tegangan beban dengan tegangan keluaran pengkondisi sinyal.Gambar 11.b menyajikan perbandingan tegangan beban dengan nilai ADC. Nilai ADC yang dihasilkan akan dibandingkan dengan tegangan beban untuk mendapakan rumus konversi, didapatkan rumus konversi dari nilai ADC menjadi nilai arus pada Persamaan 3.
Tabel 5.Perbandingan tegangan pembacaan voltmeter dengan tampilan Node-red
Tegangan Beban
(Volt)
Tegangan keluaran
(Volt)
Nilai ADC
36,7 36,07695 1,727002412
43 42,98588 0,032859631
48 49,28068 2,598745027
49 51,26402 4,416391848
52,1 52,67378 1,089308571
78,7 78,77539 0,095698927
92 89,77736 2,475726447
95 93,31458 1,806170054
101,4 99,30894 2,105615971
112,4 109,7972 2,370516638
119,4 113,9638 4,770122978
149,7 150,515 0,541497531
154,6 153,0168 1,034686157
178,7 178,887 0,104535265
212 202,6234 4,627593164
% Rata-rata Kesalahan 1,986431375
Tabel 5 menyajikan perbandingan arus beban dengan arus tampilan Node-Red, hasil dari rumus Persamaan 2. Kesalahan relatif antara arus beban dengan arus tampilan node-red sebesar 1,986% atau akurasinya sebesar 98,014%.
3.3. Pengujian sensor suhu-kelembapan DHT 22
Pembacaan sensor DHT 22 dapat dilihat pada data serial yang dihasilkan dari ESP8266. Terlihat pada Gambar 12, data suhu dan kelembapan sensor DHT22 dapat dibaca ESP8266 dan ditampilkan pada serial monitor Arduino IDE.
Gambar12. Suhu dan Kelembapan tampilan dari serial Monitor
a b
Gambar 13.Suhu dan Kelembapan tampilan dari Aplikasi Node-Red
Gambar 13.b menunjukkan bahwa suhu mengalami penurunan dan kelembapan mengalami kenaikan. Keadaan ini dipicu dengan adanya udara dingin dari segelas es berjarak 10cm dari sensor DHT22. DHT22 memberikan respon penurunan suhu dengan adanya udara dingin, dan kenaikan suhu dengan adanya udara panas. Namun untuk mengetahui tingkat presisi dari sensor ini, perlu perbandingan sensor DHT22 dengan termometer digital HTC-1.
Tabel 5.Pengukuran suhu-kelembapan DHT22 dan termometer HTC-1 Suhu
Tabel 5menyajikan perbedaan nilai antara suhu-kelembapan DHT22 dengan nilai termometer HTC-1. Pada tabel 6 ini, persentase error kesalahan suhu rata-rata adalah 2,85% atau tingkat akurasi sebesar 97,15%. Sedangkan persentase error kesalahan kelembapan rata-rata adalah 19,83% dengan tingkat akurasi sebesar 80,17%.
3.4. Pengujian Aplikasi Node-Red
Gambar 14.Aplikasi Node-red
4. Kesimpulan
Perancangan dan pengujian sistem dapat disimpulkan bahwa alat telah berhasil dibuat.. Proses perbaikan sinyal dari sensor arus dan tegangan menggunakan pengkondisi sinyal dapat bekerja dengan baik. Akurasi pengukuran tegangan terhadap tampilan tegangan di webserver Node Red adalah 98,014% sedangkan arus sebesar 97,802%. Nilai arus dan tegangan yang terukur dengan sensor dapat ditampilkan secara realtime. Sensor DHT22 dibandingkan dengan termometer digital HTC-1 mempunyai tingkat akurasi pengukuran suhu adalah 97,15% dan pengukuran kelembapan adalah 80,17%. Data-data nilai arus, tegangan, suhu dan kelembapan dapat dikirim menggunakan protokol MQTT broker dan sudah ditampilkan di web Node-red secara real time.
Rencana pengembangan kedepan, perlu ditambahkan metode untuk mengukur cos phi, sehingga daya dan cos phi dapat ditampilkan pada aplikasi Node-red. Dengan pengukuran cos phi, program dapat menentukan apakah arus tertinggal atau menduhului. Proses kalibrasi DHT22 perlu menggunakan alat yang lebih akurat, sehingga hasil yang didapatkan lebih baik.
5. Daftar Notasi adc : nilai adc
Referensi
[1] X. Fan, B. Qiu, Y. Liu, H. Zhu, and B. Han, “Energy Visualization for Smart Home,” Energy Procedia, vol. 105, pp. 2545–2548, 2017.
[2] S. Kandarp and P. A. Borole, “Design and Implementation of Smart Energy Measuring System using MQTT Protocol,” vol. 5, no. 2, pp. 1773–1775, 2017.
[3] S. Wardoyo, A. P. Habibie, R. Wiryadinata, and A. Termokopel, “Wireless Data Logger Suhu Multi Channel Menggunakan Labview,”Jnteti, vol. 5, no. 2, 2016.
[4] R. P. Pratama, “Desain sistem kendali lampu pada rumah dengan mini webserver AVR,” J. ELTEK, vol. 11, no. 1, pp. 1–16, 2013.
[5] S. Dhiraj and R. Pini, “Web Based Patient Health Monitoring System using Raspberry Pi,” Int. Res. J. Eng. Technol., vol. 4, no. 7, pp. 568–574, 2017.
[6] B. Carter, “Filter Design in Thirty Seconds,”High Perform. Analog, vol. SLOA093, no. December, pp. 1–14, 2001.
[7] I. Robertson,Electronics Engineer’s Reference Book. 1989.
[8] H. Izzatul Islam, N. Nabilah, S. Sa’id Atsaurry, D. Handy Saputra1, G. Mughni Pradipta, A. Kurniawan, and H. Syafutra, “Sistem Kendali Suhu Dan Pemantauan Kelembaban Udara Ruangan Berbasis Arduino Uno Dengan Menggunakan Sensor Dht22 Dan Passive Infrared (Pir),” vol. V, no. Lcd, p. SNF2016-CIP-119-SNF2016-CIP-124, 2016.
[9] S. Vatsal and M. Bhavin, “Using Raspberry Pi To Sense Temprature And Relative Humidity,”Int. Res. J. Eng. Technol., vol. 4, no. 2, pp. 380–385, 2017.
