Deteksi Kadar ph Air Untuk Monitoring Kualitas Air Berbasiskan Sensor Nirkabel

Deteksi Kadar pH Air Untuk Monitoring Kualitas Air Berbasiskan Sensor

Nirkabel

IB Mahadira Rizativa - 2206100182

Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya – 60111

Abstrak - Dengan berkembangnya jaringan sensor nirkabel (Wireless Sensor Network / WSN), aplikasi untuk jaringan sensor nirkabel juga semakin bervariasi. Hadirnya teknologi baru ini semakin mempermudah kita untuk melakukan pemantauan lingkungan (environment monitoring), terutama pemantauan kualitas air. Dengan mengaplikasikan jaringan sensor nirkabel pada air dengan pH tertentu, maka kita akan semakin mudah memahami parameter kualitas air, sehingga dapat dihasilkan suatu sistem yang dapat memantau serta mendeteksi kualitas air dan mengetahui bagaimana pencemarannya.

Pada penelitian ini jaringan sensor nirkabel dirancang untuk dapat memantau dan mendeteksi terjadinya pencemaran air dengan cara membaca pH

larutan. Pada tugas akhir ini, didesain dan

diimplementasikan sistem Pengukuran kadar pH air pada Jaringan Sensor Nirkabel untuk mengetahui kualitas air dengan kadar pH tertentu. Sistem didesain sesuai dengan kebutuhan dengan mempertimbangkan spesifikasi peralatan yang ada. Pengimplementasian ini dilakukan dengan memanfaatkan Analog to Digital Converter (ADC) yang terdapat pada sensorboard MDA300CA. Dengan sampling rate tertentu tegangan dari sensor pH akan diproses untuk kemudian ditransmisikan dari node sensor ke gateway untuk kemudian dihubungkan ke PC sebagai destination. Desain sistem diuji dengan memberi input berbagai macam pH larutan. Didapatkan bahwa nilai tegangan yang terukur berbanding terbalik dengan nilai pH air. Kata kunci : Wireless Sensor Network, ADC

I. PENDAHULUAN

Perkembangan teknologi piranti elektronika yang seiring dengan perkembangan protokol komunikasi dan informasi yang ada sekarang telah membawa kita menuju suatu sensor (alat deteksi) generasi baru yang murah, akurat dan memiliki daya jangkau yang lebih luas. Kemajuan di bidang desain, material, dan perancangan konsep akan membawa dampak positif pada penurunan ukuran, berat, dan

cost daripada sensor itu sendiri secara siginifikan sehingga

didapat sensor dengan kemampuan yang jauh melebihi yang ada sekarang. Dengan begitu, teknologi deteksi (sensing) dan pengaturannya kini memiliki potensi untuk berkembang dengan pesat, tidak hanya di bidang ilmu pengetahuan dan

teknologi tetapi juga meliputi berbagai bidang aplikasi secara luas.

Dengan kemampuan sensor yang ada sekarang dan Pencemaran lingkungan yang terjadi di belahan bumi manapun ini maka digunakan sensor untuk mencegah pencemaran yang lebih luas lagi.terutama pencemaran air. Pencemaran air adalah suatu perubahan keadaan di suatu tempat penampungan air seperti danau, sungai, lautan dan air tanah akibat aktivitas manusia. dalam aktivitas kita dalam memenuhi kebutuhan hidup, kita membuang sampah rumah tangga, sampah rumah sakit, sampah/limbah industri secara sembarangan, membuang ke dalam air sungai, danau ataupun ke dalam selokan. menggunakan pupuk dan pestisida secara berlebihan, karena sisa pupuk dan pestisida akan mencemari air di lingkungan tanah pertanian. Menggunakan deterjen fosfat, karena senyawa fosfat merupakan makanan bagi tanaman air seperti enceng gondok yang dapat menyebabkan terjadinya pencemaran air.

Oleh karena itu digunakanlah jaringan sensor nirkabel, untuk memantau dan mendeteksi potensi terjadinya pencemaran air terutama di bidang pertanian. Pada jaringan sensor nirkabel, suatu titik sensor direpresentasikan sebagai suatu node, dan dipasang secara berkelompok sehingga menjadi suatu cluster node dan diatur oleh suatu cluster head yang melakukan agregasi data dan mengirimkan suatu kesimpulan data ke Base Station.

II. TEORI PENUNJANG 2.1 Definisi Kualitas Air

Kualitas air secara umum menunjukkan mutu atau kondisi air yang berkaitan dengan suatu kegiatan atau keperluan tertentu. Dengan demikian, kualitas air akan berbeda dari suatu kegiatan ke kegiatan lain , sebagai contoh : kualitas air untuk keperluan irigasi berbeda dengan kualitas air untuk keperluan minum. Penurunan kualitas air dapat disebabkan oleh Pencemaran air yang memberikan dampak bahaya dan menyebabkan kerusakan signifikan terhadap kehidupan organisme yang hidup didalam air, Kehidupan manusia, Banjir, erosi dan kekurangan sumber air. Terjadinya pencemaran air dapat dipicu oleh meningkatnya kandungan nutrien, sampah organik dan berbagai macam polutan seperti logam berat, toksin organik, dan minyak yang dibuang oleh pabrik.

Kualitas air ditentukan oleh parameter fisika (bau, warna, Jumlah zat padat terlarut, kekeruhan, rasa dan suhu), kimia (Alumunium, Besi, kesadahan, pH, Seng, sulfat,

tembaga, mangan) dan biologi air(total bakteri E.Coli) yang mengacu pada standar tertentu seperti standar air minum, kesehatan, dan irigasi. Ada dua parameter utama yang diamati pada pengamatan kualitas air untuk irigasi, yaitu konduktivitas spesifik dan pH air.

nilai pH menunjukkan apakah air memiliki kandungan padatan rendah atau tinggi. pH dari air murni adalah 7. Secara umum, air dengan nilai pH lebih rendah dari 7 dianggap asam dan nilai pH lebih dari 7 dianggap basa. Nilai pH normal untuk air permukaan biasanya antara 6,5 s/d 8,5 dan air tanah dari 6 s/d 8,5 serta pH air untuk irigasi antara 5 s/d 9.

pH juga berkaitan dengan alkalinitas. Pada pH<5, alkalinitas dapat mencapai nol. Semakin tinggi nilai pH, semakin tinggi pula nilai alkalinitas dan semakin rendah kadar karbon dioksida bebas.

Alkalinitas adalah ukuran kapasitas air untuk bertahan dari perubahan pH yang mungkin terjadi dan membuat air menjadi lebih asam. Ukuran dari alkalinitas dan pH air diperlukan untuk menilai ke-korosifan dari air. Secara umum, air dengan nilai pH rendah (<6,5) berupa asam, mengandung padatan rendah, dan korosif. Karena itu, air seperti ini mengandung ion logam seperti besi, mangan, tembaga, timbal, dan seng atau dengan kata lain logam beracun tingkatan tinggi. Ini dapat menyebabkan kerusakan dini pada pipa logam, dan memiliki masalah berhubungan dengan rasa yang asam atau rasa logam, noda pada baju, dan noda pada tempat cucian di dapur dan pembuangan. Yang lebih penting, ada suatu resiko kesehatan yang berhubungan dengan racun ini.

Gambar 1 Skala pH air [16]

2.2 Jaringan Sensor Nirkabel

Jaringan sensor nirkabel (Wireless Sensor Network) adalah suatu kelompok sensor pintar (smart sensors), dimana masing-masing titik sensornya memiliki kemampuan untuk merasakan (sensing), memproses dan berkomunikasi, tetapi

apabila dikembangkan dalam hal jumlah atau dihubungkan satu sama lain menjadi sebuah jaringan, maka akan dapat melakukan fungsi pengawasan (monitoring) terhadap suatu keadaan fisik bumi secara kolektif. Pada awalnya aplikasi dari jaringan sensor nirkabel, seakan-akan hanyalah ada dalam imajinasi saja. Namun seiring banyaknya tantangan yang datang, dan perilaku alam yang tidak menentu menyebabkan teknologi ini berkembang melebar dan mendalam, mulai dari protokol jaringan yang dipakai,

provisioning tenaga, sampai pada model pemrograman.

Seperti dijelaskan diatas, jaringan sensor nirkabel tersusun dari banyak miniatur sensor, yang masing-masing individu memiliki kemampuan untuk merasakan dan berinteraksi dengan alam, memproses data yang telah dikumpulkan, serta dapat melakukan komunikasi secara vertikal (sesama sensor node), maupun secara horizontal (dengan base station) tanpa melalui kabel.

Jaringan sensor nirkabel merupakan generasi baru dari sistem sensor (sensory system), walaupun masih terbatas pada kemampuan proses data dan terbatasnya pula bandwidth untuk melakukan komunikasi. Oleh karena itu masing-masing sensor dapat dikatakan sebagai sensor pintar. Beberapa jaringan sengaja didesain untuk dapat melakukan proses di jaringan (in-network processing), sehingga pengambilan keputusan dapat dilakukan ditempat (on the

spot) atau setidaknya dapat melakukan konversi dan agregasi

data, sebelum ditransmisikan ke bagian pusat pemantauan. Dan manfaat lain yaitu karena setiap sensor dapat saling berkomunikasi tanpa kabel, maka teknologi ini dapat

di-deploy ke area tak terjangkau dengan kerapatan tinggi bila

diperlukan. Lalu kombinasi dari kemampuan memproses data, penyimpanan data (data storage) dan komunikasi secara nirkabel, juga memberikan nilai tambah bagi teknologi ini, karena data yang ditransmisikan dapat didistribusikan dengan algoritma yang cerdas, sehingga jaringan ini dapat melakukan pengaturan secara mandiri (self-organize).

Gambar 2 Ilustrasi Sebuah Jaringan Sensor Nirkabel.

III. PERENCANAAN DAN IMPLEMENTASI 3.1 Persiapan Hardware

Gateway yang digunakan untuk melewatkan paket

dari jaringan sensor kepada server adalah tipe MIB 600 dengan konektor ekspansi 51-pin untuk komunikasi jaringan sensor dan interface Ethernet Programming Board (EPRB)

X Y X X X Y Y Y

untuk komunikasi server. Bentuk fisik dari gateway dapat dilihat pada Gambar 3(a).

Sensor node yang digunakan adalah sensor dengan platform Micaz produksi Crossbow Technology yang bekerja pada frekuensi 2,4 Ghz dengan spesifikasi standar IEEE 802.15.4 dengan sumber energi dua buah baterai AA dengan masing-masing memiliki tegangan 1,5 Volt. Daya pancar maksimum yang dapat dihasilkan adalah 0 dBm atau 1 mW.

Sensorboard yang digunakan untuk mendeteksi pH air adalah MDA300CA, produksi Crossbow Technology yang dipasang pada Node (mote) Micaz. Sensorboard ini memiliki sensor internal yaitu sensor temperature dan humidity. Selain itu, karena memiliki port ekspansi untuk sensor eksternal, maka MDA300CA bisa diintegrasikan dengan sensor-sensor yang lain.

Sensor pH yang digunakan adalah pH-207 dan dapat dihubungkan dengan pin ekspansi yang tersedia pada MDA300. PH-207 dapat mengukur pH, tegangan, dan suhu.

(a) (b)

(c)

(d)

Gambar 3. (a) Gateway (MIB 600) , (b) Micaz Mote (MPR 2400),

(c) Sensorboard (MTS420/400), dan (d) Sensor pH-207

3.2 Perencanaan Software

Pada penelitian Tugas Akhir ini menggunakan program bawaan dari Crossbow Technology, yaitu

MoteWorks dan MoteView. MoteWorks merupakan suatu end-to-end platform yang digunakan agar dapat berkreasi

dengan jaringan sensor nirkabel. Pada MoteWorks tersedia sekumpulan software yang berupa development tools untuk berbagai macam aplikasi Mote yang diinginkan, termasuk di dalamnya driver untuk sensor, pemrosesan dan pengkondisian sinyal sensor, serta pengambilalihan pesan.

MoteWorks meliputi cross-compiler yang optimal untuk

mote platform sasaran dan sebuah editor tingkat lanjut untuk aplikasi TinyOS. MoteWorks secara otomatis menginstall dan mengkonfigurasi tools – tools yang ada untuk proses pemasangan yang cepat dan intensitas tinggi.

MoteView merupakan suatu client user interface

yang digunakan sehingga MoteWorks dapat mengirimkan semua solusi end-tto-end melewati semua segmen pada jaringan sensor nirkabel. MoteView menampilkan semua informasi yang dibutuhkan oleh perancang yang juga sebagai pengguna. Seluruh jaringan atau bahkan node – node secara

individual dapat ditampilkan dan dianalisa dalam suatu grafik diagram ataupun dalam format teks.

MoteView memungkinkan untuk kita dapat melihat

status suatu jaringan dan pembacaan sensor selama waktu tertentu secara historis. Selain itu juga end-users dapat mengoptimasi rancangan dan konfigurasi suatu jaringan, menganalisa informasi dari sensor secara interaktif, sehingga dapat mengambil tindakan yang benar. MoteView juga menyediakan suatu interface agar dapat mengkonfigurasi mote – mote dalam jaringan nirkabel dari jauh. Tiap –tiap

node dapat diupdate secara individual menggunakan

parameter konfigurasi yang telah disediakan.

3.3 Implementasi Sistem

Dalam desain sistem transmisi pH, sensorboard MDA300CA yang telah terhubung dengan rangkaian sensor pH kemudian akan disatukan dengan mote melalui konektor 51-pin. Konfigurasi sensorboard dan mote ini membentuk suatu node sensor. Node sensor bertugas untuk melakukan sensing dan memberikan report tentang pembacaan analog to

digital converter (ADC) ke base station (gateway) melalui

kanal frekuensi radio (RF). Secara spesifik mote MPR2400 (MICAz) ini mengusung protokol nirkabel Zigbee yang merujuk pada standart IEEE 802.15.4 dengan frekuensi kerja 2,4 GHz. Komunikasi nirkabel ini dapat berlangsung karena tertanamnya chip CC2420 buatan perusahaan Chipcon pada

mote MPR2400 (MICAz). Chip ini mendukung data rate

sampai dengan 250 kbps, selain itu juga memerlukan konsumsi arus yang rendah (RX:19,7 mA dan TX:17,4 mA). Setelah dikirimkan oleh sensor node dengan menggunakan protokol Zigbee, data diterima oleh base station (gateway). Kemudian, oleh base station data diteruskan ke komputer server melalui kabel Ethernet. Sekalipun komputer server yang digunakan pada tugas akhir ini sanggup untuk melakukan transfer data sampai 100 Mbps (Fast Ethernet), namun transfer data hanya dapat berlangsung dengan transfer rate maksimal 10 Mbps. Hal ini dikarenakan gateway MIB600 hanya mampu mendukung komunikasi Ethernet pada kecepatan 10 Mbps.

Sistem diuji dengan mengukur berbagai macam larutan. Untuk sinyal penguji, dipilih larutan HCl+air, cuka+air, larutan pH 4, Larutan pH 7, NaOH+air, dan CaCO3+air. Pengujan sistem juga dilakukan pada konfigurasi singlehop. Untuk pengujian ini akan diukur tegangan yang terbaca dibandingkan dan pengaruh

packetloss terhadap besarnya jarak antara node dan gateway

IV. ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

4.1 Analisa Data Pengukuran Berbagai Larutan

Pengambilan data dilakukan di lingkungan kampus Teknik Elektro ITS. Dengan posisi sensor pH yang dicelupkan ke dalam larutan HCl+air, cuka+air, larutan pH 4, Larutan pH 7, NaOH+air, dan CaCO3+air.Data tegangan dan

pH hasil pembacaa node digunakan untuk melihat perubahan tegangan yang terjadi pada node.

Gambar 5 merupakan contoh hasil pengambilan data tegangan dan pH dari larutan HCl+air, cuka+air, larutan pH 4, Larutan pH 7, NaOH+air, dan CaCO3+air.

Gambar 5 Analisa Data Pengukuran Berbagai Larutan

Pada Gambar 5 jelas terlihat perbedaan hasil pembacaan tegangan dan pH dari tiap larutan yang diambil datanya. Sebagai contoh, pada larutan air+HCl menunjukkan tegangan yang lebih besar dibandingkan larutan lainnya dan menghasilkan nilai pH yang palingbesar, hal ini menunjukkan bahwa semakin besar tegangan yang dihasilkan maka makin asam larutannya.

4.2 Analisa Pengukuran air yang tecemar

air yang diukur adalah air sungai yang sudah tercemar. Pertama ujung sensor pH dicelupkan ke dalam sungai bersama satu set sensor nirkabel yang telah di proteksi dengan box plastik agar sensor tidak terendam air, pengambilan data dilakukan selama 17 menit kemudian sensor pH dimasukkan ke larutan dengan pH 7 untuk mengamati perubahan yang terjadi.

Untuk mendapatkan gambar hasil pembacaan, data yang diperoleh diolah terlebih dahulu. Setelah data diolah, kemudian dilakukan plot untuk mendapatkan gambar sinyal hasil pembacaan sensor. Sumbu vertikal menunjukkan waktu(s) yang terbaca dan sumbu horisontal menunjukkan

tegangan (V) yang diterima. Hasil data yang sudah diolah dapat dilihat pada Gambar 6.

Rencana Implentasi Pengukuran Sinyal ini adalah di daerah irigasi, node dan sensor diletakkan pada aliran air irigasi sedangkan server dan gateway dapat diletakkan pada jarak tertentu dari node dan sensor pH. Implementasi dapat ditunjukkan pada gambar 7.

Gambar 7 Implementasi Pengukuran di Daerah Irigasi

4.5 Analisa Pengaruh Perubahan Jarak Terhadap

Packetloss

Data yang diambil sebanyak 6 sample, yaitu data pada jarak 5, 10, 15, 20, 25, 30 meter. Data ini digunakan untuk mengukur pengaruh jarak terhadap packet loss. Dalam percobaan ini digunakan kursi dengan tinggi 75 cm. Dari hasil pengukuran ini didapatkan bahwa Semakin jauh jarak antara node dengan sink semakin besar packet loss nya.

V. PENUTUP 5.1 Kesimpulan

Dari hasil analisa yang telah dilakukan, beberapa hal yang dapat disimpulkan adalah:

1. Jaringan sensor nirkabel sangat sesuai apabila digunakan untuk sistem pemantauan kualitas air, karena kemampuan persebarannya (deployment) yang sangat tinggi, dan dalam proses instalasinya tidak mempengaruhi struktur lingkungan yang dipantau. 2. Dalam memantau pH air, jaringan sensor nirkabel

dirancang agar dapat membaca tegangan pada suatu larutan tertentu. Dan jaringan sensor nirkabel yang telah dilengkapi dengan sensor pH dapat melakukan hal itu dengan baik dengan sensitivitas pembacaan mencapai

±

0.03.

3. Sinyal analog yang mampu dibaca memiliki range tegangan 0 sampai 2,5 volt

4. Telah dilakukan pengukuran dengan melibatkan lebih dari satu port, dan didapatkan bahwa ada pengaruh antara port satu dengan port yang lainnya, namun hasil pengukuran tidak sampai menyimpang jauh.

5. Air sungai yang diukur memiliki nilai pH 8.06 sehingga air sungai ini masih bisa digunakan untuk irigasi.

6. Semakin jauh jarak antara node dengan sink semakin besar packet loss nya.

5.2 Saran

Sistem jaringan sensor nirkabel yang sudah dibangun dalam penelitian ini diharapkan bisa digunakan untuk memantau pH air sebenarnya. Karena ditinjau dari hasil penelitian, masing-masing komponen sensor memiliki

tingkat akurasi yang tinggi, dan kemampuan komunikasi dengan jangkauan yang luas. Sehingga di kedepannya penelitian ini tidak berhenti pada titik simulasi saja, tetapi dapat digunakan dalam skala yang lebih besar.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Mackereth, F.J.H., Heron,J. and Talling, J.F 1989. “Water Analysis”. Fresh-water Biological Association, Cumbria, UK. 120p

[2] Novotny, V. and Olem, H. 1994 “Water Quality,

Prevention, identification, and Management of Diffuse Pollution”. Van Nostrans Reinhold, New

York. 1054p.

[3] Haslam, S.M. 1995. “River Pollution and

Ecological Perspective”. John Wiley and Sons,

Chichester, UK. 253 p.

[4] Angel, H. and Wolseley, P.1992. “The Family of

Water Naturalist”. Bloomsbury Books, London.

192 p.

[5] Miller, G.T. 1992. “Living in The Environment”. Seventh Edition. Wadsworth Publishing Company, California. 705 p.

[6] Jeffries, M. and Mills, D. 1996. “Freshwater

Ecology, Principles, and Applications”. John

Wiley and Sons, Chichester, UK.285 p. [7] IEEE 802.15.4, 2003. Spesification

[8] Karl, Holger, Willig, Andreas, 2005. “Protocols

and Architectures for Wireless Sensor Networks”, John Willey and Sons.

[9] D. Culler, 2004.”Overview of Sensor Networks”

[10] Karl, Holger, Willig, Andreas, 2005. “Protocols

and Architectures for Wireless Sensor Networks”, John Willey and Sons.

[11] Crossbow Technology, 2007, MPR-MIB Series

Users Manual – Revision A.

[12] Crossbow Technology, 2007, MTS-MDA Sensorboard Users Manual – Revision C.

[13]

[14] Crossbow Technology, TinyOS Overview,

www.britannica.com/EBchecked/topic/605329/trilat eration.php

http://www.ce.rit.edu/~fxheec/cisco_urp /cd_seminar/Presentations/Day1-All/03_TinyOS_Overview.pdf.

[15] Chessa, Stefano, 2006, MaD-WiSe Manual. Pisa, Italy

RIWAYAT PENULIS

IB Mahadira Rizativa, lahir di Klungkung – Bali pada tanggal 5 Desember 1988. Pada tahun 2000, penulis menamatkan pendidikan Sekolah Dasar di SD Negeri 8 Gianyar, kemudian melanjutkan pendidikan di SLTP Negeri 3 Gianyar dan selesai pada tahun 2003. Penulis melanjutkan pendidikan Sekolah Menengah Umum di SMU Negeri 1 Semarapura hingga lulus pada tahun 2006. Dengan anugerah Allah, penulis dapat melanjutkan studi di PTN Institut Teknologi Sepuluh Nopember dengan mengambil Jurusan Teknik Elektro melalui jalur SPMB dan menamatkan studi S1 pada tahun 2010. Penulis mengambil Bidang Studi Telekomunikasi Multimedia dan aktif dalam kegiatan Laboratorium Jaringan dan Laboratorim Multimedia.

dan Laboratorim Multimedia. Penulis juga aktif dalam kegiatan kemahasiswaan Himpunan Mahasiswa Elektro ITS.