5
Berdasarkan latar belakang masalah yang telah dipaparkan pada Bab I, tujuan skripsi ini adalah merancang dan merealisasikan wireless air mouse sebagai alat bantu presentasi. Wireless air mouse yang dirancang dapat dioperasikan pada permukaan alas maupun tanpa alas. Untuk memenuhi tujuan tersebut maka perlu dimengerti terlebih dahulu dasar-dasar teori yang berkaitan dengan sistem yang akan dirancang.
Pada skripsi ini dirancang mouse komputer menggunakan bluetooth sebagai media penghubung antara PC dan mouse, sehingga tidak lagi membutuhkan media kabel. Untuk mendeteksi percepatan pergerakan yang dialami oleh mouse ketika digerakkan pada permukaan alas, dan mendeteksi kecepatan sudut putar yang dialami oleh mouse ketika berada di udara digunakan sensor inersia. Pada bab ini akan dijelaskan konsep-konsep dan teori mengenai sensor inersia, komunikasi bluetooth, dan beberapa teori lainyang berkaitan dengan perancangan pada skripsi ini.
2.1. Gerak translasi dan rotasi pada mouse
Setiap gerak translasi mouse pada bidang datar akan diterjemahkan ke dalam perubahan koordinat kursor pada PC. Besarnya perubahan koordinat kursor proporsional terhadap perpindahan posisi yang dialami oleh mouse. seperti yang terlihat pada Gambar 2.5.
Besarnya perubahan koordinat kursor yang diakibatkan oleh perpindahan posisi mouse dapat dirumuskan ke dalam Persamaan 2.1.
x x S
K x
(2.1) y Ky Sy (2.2) Dengan,
x
= Koordinat kursor pointer arah x y
= Koordinat kursor pointer arah y
x
S = Perpindahan posisi mouse pada sumbu x
y
S = Perpindahan posisi mouse pada sumbu y
x
K dan Ky adalah konstanta pengali perubahan posisi mouse sehingga dapat diterjemahkan menjadi perubahan koordinat kursor pointer mouse. Pada kenyataannya besarnya nilai Kxdan Ky dapat bervariasi tergantung dari kebiasaan dan kenyamanan pengguna dalam menggunakan mouse.
Ketika mouse berada di udara maka setiap perubahan sudut yang terjadi akan diterjemahkan ke dalam perubahan koordinat pointer mouse.
Persamaan 2.3 dan 2.4 menunjukkan bahwa perubahan sudut pada poros pitch, akan diterjemahkan sebagai translasi kursor ke arah vertikal, dan perubahan sudut pada poros yaw akan diterjemahkan sebagai translasi ke arah horisontal, dengan:
x
K
x (2.3) = Perubahan translasi pada sumbu koordinat X
= Perubahan sudut putar pada poros yaw
x
K = Sensitivitas kursor mouse pada sumbu koordinat X y
= Perubahan translasi pada sumbu koordinat Y
= Perubahan sudut putar pada poros pitch
y
K = Sensitivitas kursor mouse pada sumbu koordinat X
2.2. Sensor Inersia
Perkembangan teknologi MEMS (Micro Electro Mechanical System) telah melahirkan sebuah sensor inersia yang mampu mendeteksi dan mengukur percepatan, kemiringan sudut, goncangan, getaran serta putaran pada beberapa derajat kebebasan [2]. Pada skripsi ini digunakan dua jenis sensor inersia yaitu sensor akselerometer sebagai pengukur percepatan serta giroskop sebagai pengukur kecepatan sudut putaran. Pada sub bab selanjutnya akan dijelaskan mengenai sensor akselerometer dan giroskop serta beberapa teori lain yang berkaitan.
2.2.1. Akselerometer
Akselerometer merupakan sebuah sensor inersia yang mampu mengukur besar dan arah dari percepatan sebuah benda yang melekat padanya. Percepatan yang terukur berupa percepatan statis akibat gaya gravitasi bumi dan percepatan dinamis akibat pergerakan maupun getaran yang dialami akselerometer [3].
2.2.1.1Permodelan sensor akselerometer
Sensor akselerometer pada dasarnya menggunakan prinsip kerja sistem massa pegas. Sesuai dengan hukum Hooke yang mengatakan bahwa gaya yang bekerja pada sebuah pegas sebanding dengan konstanta pegas dan perubahan jarak pegas dari posisi normalnya [4]. Jika sebuah gaya bekerja pada sebuah pegas hingga pegas meregang, maka pegas akan memberikan gaya reaksi sebesar:
x k
F (2.5)
Dengan F adalah gaya pegas, k adalah konstanta regangan pegas dan x perubahan panjang pegas akibat regangan. Berdasarkan hukum Newton ke dua yang mengatakan bahwa percepatan yang timbul oleh gaya yang bekerja pada suatu benda besarnya berbanding lurus dengan gaya tersebut dan berbanding terbalik dengan massa benda[4]. Dalam persamaan matematis dapat ditulis sebagai:
a m
F (2.6)
Dengan F adalah gaya yang bekerja pada benda, m adalah massa benda dan a adalah percepatan yang dialami benda tersebut. Gambar 2.1 menunjukkan sebuah massa yang dihubungkan dengan sebuah pegas yang dipasang pada sebuah sistem yang dapat bergerak. Jika sistem diberi gaya sebesar F sehingga mengalami percepatan ke arah a, gaya tesebut akan menyebabkan pegas meregang atau merapat, sehingga berlaku persamaan:
x k ma
F (2.7)
Dari Persamaan 2.3 diketahui bahwa percepatan a akan menyebabkan benda bermassa m akan mengalami perpindahan posisi sebesar
k ma x
. Jika perpindahan posisi benda tersebut diketahui, maka dapat diketahui bahwa percepatan yang dialami oleh benda sebesar:
m x k
a (2.8) 2.2.1.2Pengaruh gravitasi terhadap sensor akselerometer
Ketika akselerometer dalam kondisi diam (statis), maka sensor akan mendeteksi adanya percepatan gravitasi yang bekerja padanya. Hal ini disebabkan setiap benda yang memiliki massa berada pada jangkauan gravitasi (dalam hal ini adalah bumi) akan terpengaruh oleh gaya gravitasi bumi yang besarnya dapat dituliskan dalam Persamaan 2.9[5]:
Gambar 2.4 Sistem massa pegas pada bidang datar
.
bumi (Gambar 2.5) maka gaya gravitasi akan menyebabkan pegas mengalami perapatan atau peregangan sesuai besar percepatan yang dialami oleh massa pegas sebesar gcos.
Gambar 2.5 Sistem massa pegas diposisikan pada keadaan miring
Ketika terjadi pergerakan translasi, maka percepatan yang terukur oleh sensor akselerometer merupakan hasil penjumlahan antara percepatan ketika akselerometer bergerak translasi dan percepatan statis akibat gravitasi bumi, sesuai dengan Persamaan 2.10.
)
cos(
g
a
a
terukur
translasi
(2.10) Dengan,terukur
a = Percepatan total (m/s2)
translasi
a = Percepatan akibat gerak translasi (m/s2) g = Percepatan gravitasi bumi (m/s2)
2.2.1.3Sensor akselerometer LIS3LV02DL
Gambar 2.6 Blok diagram akselerometr LIS3LV02DL[6].
Antarmuka keluaran LIS3LV02DL yang disediakan dapat dipilih menggunakan komunikasi I2C atau SPI. Konsumsi arusyang digunakan sangat rendah, berkisar antara 0,6 mA hingga 0,8 mA. Selain itu pengguna juga dapat memilih keluaran data dengan ketelitian 12 bit atau 16 bit [6]. Konfigurasi pin dari sensor akselerometer dapat dilihat pada Gambar 2.4. Penjelasan dari masing-masing fungsi pin yang terdapat pada sensor dapat dilihat pada Table 2.1 [6].
Tabel 2.1 Deskripsi pin LIS3LV02DL
Pin Nama Pin Fungsi
1 RDY/INT Data ready/inertial wake-up interrupt 2 SDO SPI Serial Data Output
3-wire Interface Serial Data Output (SDO) 4 Vdd_IO Power supply for I/O pads
8 CK Eksternal clock, atau dihubungkan ke GND
9 GND 0V supply
10 Reserved Tidak terkoneksi atau dihubungkan menuju Vdd_IO
11 Vdd Power supply
12 Reserved Dihubungkan menuju Vdd
13 Vdd Power supply
14 GND 0V supply
15 Reserved Tidak terkoneksi atau dihubungkan ke GND
16 GND 0V supply
Tabel 2.2 Karakteristik akselerometer LIS3LV02DL
Parameter Kondisi pengujian Min. Type Max. Satuan Jangkauan
pengukuran
Full Scale = 2g 1.7 2 g
Full Scale = 6g 5.3 6 g
Resolusi alat Full scale =
2g
Sensitivitas dari akselerometer sebesar 1024 LSB/g, dapat diartikan percepatan 1 gravitasi sebanding dengan keluaran data sebesar 1024. Sedangkan jika dikonfigurasikan pada skala penuh 6g, sensitivitasnya berkurang menjadi 340 LSB/g. Sensor akselerometer terpengaruh pada perubahan suhu lingkungan. Dalam datasheet disebutkan bahwa sensor ini akan berubah sebesar 0,025% tiap 1 oC.
Tabel 2.3 Deskripsi pin antarmuka serial LIS3LV02DL
2.2.2. Sensor Giroskop
Giroskop merupakan sebuah sensor yang digunakan dalam sistem navigasi untuk menentukan orientasi gerak rotasi suatu objek. Sensor giroskop memiliki keluaran yang sensitif terhadap gerakan benda berputar yang sebanding dengan kecepatan sudut putar benda tersebut. Pada skripsi ini akan dijelaskan mengenai prinsip kerja giroskop serta pembahasan mengenai sensor yang digunakan.
2.2.2.1Permodelan sensor giroskop
Di dalam ilmu fisika, jika sebuah benda bergerak lurus dalam kerangka yang berputar akan terlihat berbelok oleh pengamat yang diam pada kerangka tersebut. Fenomena tersebut dikenal dengan istilah efek coriolis [7]. Efek coriolis dapat dijelaskan melalui Gambar 2.8.
Jika memperhatikan Gambar 2.8 dapat dilihat bahwa ketika sebuah partikel bergerak lurus dengan kecepatan v pada cakram yang diputar searah jarum jam, maka lintasan partikel akan mengalami pembelokan. Hal ini disebabkan karena adanya pengaruh rotasi piring terhadap gerak dari peluru. Semakin cepat cakram berputar, semakin besar pula pembelokan partikel yang terjadi.
Gambar 2.9 Percepatan coriolis[7]
Efek coriolis ini akan menghasilkan gaya rotasi yang arahnya tegak lurus dengan kecepatan v (Gambar 2.8) yang besarnya sesuai dengan persamaan:
v m a
m
Fc c 2 (2.11) Dengan,
c
F = Gaya coriolis (N) m = Massa (kg)
c
a = Percepatan coriolis (m/s2 )
= Kecepatan sudut (rad/s)
2.2.2.2Sensor Giroskop ITG3205
Sensor giroskop ITG3205 merupakan sensor pengukur kecepatan sudut yang mampu mengukur pada tiga sumbu pengukuran. Sensor ini merupakan produk keluaran dari IvenSense yang telah menggunakan teknologi MEMS dalam proses produksinya. Ada beberapa parameter yang menentukan karakteristik dari sensor ini dari sensor ITG3205 antara lain [8]:
1. Sensitivitas
Sensitivitas dari giroskop merupakan kecepatan putar minimum yang dapat dideteksi oleh sensor. Pada giroskop dengan keluaran data digital, sensitivitas dinyatakan dalam satuan bit terkecil per kecepatan putar atau LSB/(°/s). Giroskop dengan resolusi tinggi dapat mendeteksi perubahan orientasi yang kecil. Pada sensor ITG3205 memiliki resolusi sebesar 14,375 LSB/(°/s). Dengan kata lain, tiap 1 bit perubahan pada LSB berbanding lurus dengan kecepatan sudut sebesar 1/14,375 /(°/s).
2. Full-scale Range
Full-scale Range merupakan jangkauan maksimum besarnya kecepatan putar yang dapat dideteksi oleh sensor. Sebagai contoh, sensor giroskop ITG3205[9] memiliki full-scale range sebesar ±2.000°/s. Artinya, sensor ini dapat mendeteksi kecepatan putar maksimum 2.000° dalam satu detik atau 34,8894 rad/s.
3. ZRO(Zero Rate Output)
Zero Rate Output pada sensor giroskop merupakan besarnya keluaran sensor saat diam (tidak berotasi). Dalam implementasinya untuk mengukur arah hadap, yaitu dengan mengintegralkan kecepatan sudut (keluaran giroskop), keluaran giroskop harus di-offset dengan ZRO-nya terlebih dahulu agar nilai ZRO ini tidak ikut diintegralkan dari waktu ke waktu.
4. Short- or Long-term Drift
frekuensi yang lambat, akan tetapi sangat terasa nantinya jika diintegralkan dalam jangka waktu yang lama. Short or Long-term Drift merupakan nilai peak-to-peak dari keluaran giroskop saat tidak ada rotasi.
5. Jumlah sumbu pengukuran
Ada banyak giroskop yang diproduksi yang memiliki lebih dari satu sumbu pengukuran. ITG3205 produksi Invensense memiliki 3 sumbu pengukuran [8].
Gambar 2.10 Sumbu pengukuran giroskop ITG3205
Jumlah sumbu pengukuran menentukan kapabilitas dari giroskop dalam mendeteksi rotasi. Misalnya, giroskop dengan hanya dua sumbu pengukuran tidak cukup untuk menentukan arah hadap dalam ruang. Untuk mengukur rotasi atau arah hadap dalam ruang dibutuhkan 3 sumbu pengukuran.
2.3.Metode integral numerik aturan trapezoidal
Pada dasarnya perhitungan integral adalah suatu cara untuk menghitung luasan daerah di bawah suatu fungsi pada selang pengukuran tertentu. Di dalam analisis numerik, integral numerik merupakan suatu cara untuk melakukan pendekatan perhitungan integral tertentu (lihat Persamaan 2.18) dari sejumlah data numerik [9].
b adx
x
f
(
)
(2.12)Gambar 2.11 Fungsi f(x) (hitam) didekati dengan fungsi linier (merah)
Sesuai dengan Gambar 2.11 di atas, maka untuk melakukan pendekatan dalam perhitungan integral numerik digunakan persamaan:
………(2.13)
2.4. Bluetooth
Bluetooth adalah sebuah teknologi komunikasi wireless (tanpa kabel) yang beroperasi pada pita frekuensi 2,4 GHz. Bluetooth menggunakan teknik pengiriman dengan pola lompatan frekuensi (frequency hopping transceiver) yang mampu menyediakan layanan komunikasi data dan suara secara real-time (waktu nyata) antar perangkat bluetooth dengan jarak jangkauan layanan yang terbatas (sekitar 10 meter).
Pada dasarnya bluetooth diciptakan bukan hanya untuk menggantikan atau menghilangkan penggunaan kabel di dalam melakukan pertukaran informasi, tetapi juga mampu menawarkan fitur yang baik untuk teknologi mobilewireless dengan biaya yang relatif rendah, konsumsi daya yang rendah, mudah dalam pengoperasian dan mampu menyediakan bermacam-macam layanan.
2.4.1. Aplikasi Dan Fitur
connection via ethernet access point dan sebagainya. Gambar 2.12 adalah contoh modul dan beberapa aplikasi bluetooth.
Gambar 2.12 Beberapa contoh modul aplikasi Bluetooth
2.4.2. Topologi Jaringan Bluetooth
Teknologi bluetooth memiliki dua macam koneksi, yaitu koneksi point to point yang hanya terdiri dari dua unit bluetooth dan koneksi point to multipoint di mana kanal komunikasi digunakan oleh beberapa unit bluetooth bersama-sama. Dua atau lebih unit bluetooth yang menggunakan kanal bersama-sama membentuk piconet (dapat dianalogikan dengan sel pada teknologi telepon seluler dan Wireless LAN). Salah satu unit bluetooth yang memulai koneksi berlaku sebagai master dari piconet dan unit lainnya sebagai slave, hingga tujuh unit slave dapat aktif bersamaan dalam sebuah piconet.
Gambar 2.13 Topologi jaringan Bluetooth [10]
2.4.3. Protokol Bluetooth
Protokol diperlukan untuk komunikasi antara peralatan yang berbeda tipe. Setiap peralatan biasanya mengunakan beragam protokol. Demikian juga dengan peralatan bluetooth, untuk dapat saling berinteraksi diperlukan berbagai macam protokol di dalamnya. Susunan protokol yang terdapat pada bluetooth dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Protokol-protokol tersebut dibagi menjadi 4 lapisan yaitu : 1. Bluetooth Core Protocol
Protokol inti dari bluetooth terdiri dari:
a. Baseband dan Link Control bersama-sama mengatur radio frekuensi (RF link) untuk menghubungkan bluetooth membentuk suatu koneksi. Lapisan ini bertanggung jawab untuk menyamakan frekuensi transmisi dengan peralatan bluetooth lainnya.
b. Audio berhubungan langsung dengan baseband. Dua buah peralatan bluetooth yang mendukung audio dapat saling mengirim dan menerima data suara, hanya dengan mengaktifkan link audio.
c. Link Manager Protocol (LMP) bertanggung jawab untuk membangun
hubungan (autentifikasi dan enkripsi, kontrol dan negosiasi untuk paket-paket yang berasal dari baseband) antara peralatan bluetooth.
d. Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) berfungsi
untuk mendukung multiplexing protokol pada level yang lebih tinggi dan menyampaikan informasi.
e. Service Discovery Protocol (SDP) berfungsi untuk meminta informasi
alat, service, dan karakteristik dari peralatan lain. Alat-alat tersebut harus mendukung service yang sama agar dapat menetapkan koneksi satu sama lain.
2. Cable Replacement Protocol
a. Radio Frequency Communications (RFCOMM) adalah protokol yang dibuat untuk mengantikan kabel serial (contohnya untuk koneksi laptop dan ponsel). Protokol inilah yang dipakai penulis pada pembuatan program aplikasi pada handphone untuk komunikasi serial dengan modul bluetooth.
3. Telephony Protocol
Pada lapisan ini terdapat dua protokol yaitu:
a.Telephony Control Protocol – Binary (TCS-BIN) berfungsi untuk
mentransfer data dari hp melalui corebluetooth.
4. Adopted Protocol
Pada lapisan paling atas ini terdapat banyak protokol yang dapat diterapkan, yaitu:
a.OBEX (Object Exchange) diadopsi dari IrDa (Infrared Data
Association), merupakan protokol yang menyediakan layanan transfer data secara simple. Aplikasi yang menggunakan protokol ini dapat berupa sinkronisasi, transfer file, dan push object.
b.TCP/UDP/IP juga diterapkan di dalam bluetooth agar dapat berkoneksi
dengan unit lain yang dihubungkan seperti internet.
c.PPP pada bluetooth didisain untuk berjalan di bawah RFCOMM untuk melakukan koneksi point to point.
d.Wireless Aplication Protocol (WAP) berada pada lapisan paling atas
dari RFCOMM/L2CAP. WAP adalah protokol untuk berkomunikasi melalui internet antara web server dan sebuah telepon seluler. Tujuannya adalah untuk membawa isi internet ke dalam telepon seluler digital dan terminal nirkabel lainnya.
2.4.4. Keamanan bluetooth
Bluetooth dirancang dengan berbagai fitur keamanan sehingga aman untuk digunakan. Fitur – fitur keamanan yang disediakan oleh bluetooth yaitu: [10]
1. Autentifikasi yang akan memastikan identitas peralatan bluetooth lain yang hendak dihubungkan. Autentifikasi dapat dilakukan dengan pairing (memasukan kata kunci).
2. Pairing adalah suatu prosedur autentifikasi yang membuktikan keaslian dua alat berdasarkan sebuah kata kunci, dengan demikian akan menciptakan hubungan yang dapat dipercaya antara alat tersebut. Kata kunci yang sama harus dimasukkan pada kedua alat tersebut. Pairing hanya dilakukan satu kali pada saat pertama kali kedua alat terhubung.
dimatikan untuk setiap alat lainya. Otorisasi selalu membutuhkan autentifikasi.
4. Enkripsi untuk melindungi komunikasi dari penyadapan. Sebagai contoh, untuk memastikan bahwa tidak ada orang lain yang dapat mengetahui data apa yang di kirimkan dari laptop ke ponsel. Panjang kunci enkripsi antara 8 – 128 bit.
2.4.5. FHSS
Dalam frequency hopping systems, carrier atau pembawa mengubah-ubah frekuensi, atau melompat, menurut urutan yang bersifat pseudorandom [11]. Urutan pseudorandom merupakan suatu daftar beberapa frekuensi ke arah mana pembawa akan melompat pada suatu interval waktu yang ditetapkan sebelum terjadi pengulangan pola tersebut. Pemancar menggunakan urutan lompatan ini untuk memilih frekuensi pancarnya. Pembawa masih akan berada pada suatu frekuensi tertentu selama jangka waktu yang ditetapkan (yang dikenal dengan dwell time), dan kemudian menggunakan sedikit waktu untuk melompat ke frekuensi berikutnya (hop time). Bilamana daftar frekuensi tersebut telah terpakai semua, maka pemancar akan mengulangi urutan tersebut.
Gambar 2.15 memperlihatkan suatu frequency hopping system yang menggunakan urutan lompatan (hop sequence) 5 frekuensi pada suatu band yang berukuran 5 MHz. Dalam contoh ini, urutannyaadalah sebagai berikut :
1. 2,449 GHz
2. 2,452 GHz
3. 2,448 GHz
4. 2,450 Ghz 5. 2,451 Ghz
![Gambar 2.9 Percepatan coriolis[7]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dok/848010.591692/11.595.101.527.213.671/gambar-percepatan-coriolis.webp)
