Implementasi Modul Monitoring Kapasitas Baterai Pada Perangkat Embedded

Fakultas Ilmu Komputer

Implementasi Modul Monitoring Kapasitas Baterai Pada Perangkat

Embedded

Yohana Kristinawati1_{, Sabriansyah Rizqika Akbar}2_{, Rizal Maulana}3

Program Studi Teknik Informatika, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya Email: 1_{yohanakristinawati96@gmail.com,} 2_{sabrian@ub.ac.id,} 3_{rizal_lana@ub.ac.id}

Abstrak

Saat ini topik isu kelangkaan energi menjadi hal yang cukup sering dibahas dalam pengembangan teknologi yang modern contohnya wireless sensor network (WSN). Dari sejumlah implementasinya, masalah utama WSN adalah mengenai konsumsi energi. Hal ini diakibatkan oleh catu daya pada node hanya disuplai oleh baterai untuk operasinya, sehingga memiliki cadangan energi yang terbatas. Jika salah satu node mati, maka akan merubah performansi jaringan dalam hal routing dan topologi. Dalam penelitian ini dilakukan implementasi modul pengukur kapasitas baterai pada perangkat embedded. Ketika informasi kapasitas baterai yang digunakan perangkat baterai diketahui, maka dapat diperkirakan berapa lama perangkat embedded akan tetap menyala, sehingga dapat mendukung pengembangan lebih lanjut mengenai penghematan energi pada perangkat embedded. Dalam implementasinya, modul menggunakan resistor shunt untuk memperoleh besar tegangan drop yang kemudian dengan menggunakan Hukum Ohm dapat diperoleh besar arus yang mengalir. Ketika sudah diketahui besar arusnya, maka kapasitas baterai dapat dihitung. Pemrosesan nilai dilakukan menggunakan mikrokontroler arduino nano. Kemudian informasi kapasitas baterai dan arus ditampilkan pada LCD 16X2 . Diperoleh kesimpulan bahwa modul dapat mengukur arus yang mengalir pada perangkat embedded dan modul dapat melakukan perhitungan kapasitas baterai yang digunakan oleh perangkat embedded serta memiliki tingkat presisi 94,56% dalam mengukur kapasitas baterai.

Kata kunci: mikrokontroler, resistor shunt, baterai

Abstract

Nowadays, the topic about energy scarcity issue becomes quite often discussed in the development of modern technologies such as wireless sensor network (WSN). From many of its implementations, WSN's main problem is about energy consumption. This is happened because the power supply of the node only supplied by a battery for its operation, so it has limited energy reserves. If one node dies, it will change the network performance in terms of routing and topology. In this study, a battery capacity measurement module is implemented on an embedded device. If the battery capacity information of the battery is known, then the approximate time of how long the embedded device can continue running will also be known, and so it can support the further development of energy savings on embedded devices. In its implementation, the module uses a shunt resistor to obtain a the value of drop voltage which is then can be used to measure the current flowing on an embedded device using Ohm's Law. When the current is known, the battery capacity can be calculated. Value processing is done by using arduino nano microcontroller. The module then provides battery capacity information in the form of percent value and the current flow value on the embedded device via LCD. It is concluded that the module can measure the current flow of the embedded device and the module can also calculates the battery capacity that used by the embedded device. The module works with a 94,56% precision level in measuring battery capacity.

Keywords: microcontroller, shunt resistor, battery.

1. PENDAHULUAN

Saat ini topik pembahasan isu kelangkaan

nirkabel) adalah suatu jaringan nirkabel yang terdiri dari kumpulan node sensor yang tersebar di suatu area tertentu (sensor field). Dari sejumlah permasalahan pada implementasinya, masalah utama WSN adalah mengenai konsumsi energi (IoT WSN and the Problem of Short Battery Life, 2015). Hal ini di akibatkan oleh catu daya pada node hanya di suplai oleh baterai untuk operasinya, sehingga memiliki cadangan energi yang terbatas. Jika salah satu node mati, maka akan merubah performansi jaringan dalam hal routing dan topologi.

Dengan fenomena permasalahan

mengenai energi pada pengembangan teknologi, maka dalam penelitan ini akan membangun sebuah sistem monitoring kapasitas baterai pada perangkat embedded. Embeded system adalah sebuah sistem (rangkaian elektronik) digital yang merupakan bagian dari sebuah sistem yang lebih besar, yang biasanya bukan berupa sistem elektronik. Embedded system adalah sistem yang memiliki tujuan khusus yang dirancang untuk melakukan sejumlah kecil fungsi khusus untuk aplikasi tertentu (Mouaaz Nahas, 2012).

Pembangunan sistem ini akan

memanfaatkan resistor shunt dalam pengukuran arus listrik yang digunakan ketika sistem sedang bekerja. Resistor shunt adalah resistor dengan tingkat presisi yang tinggi yang bisa digunakan untuk mengukur arus yang mengalir pada suatu rangkaian elektronik atau suatu beban (Herlambang, 2012). Teknik yang digunakan untuk mengukur arus pada listrik AC maupun DC adalah dengan memanfaatkan voltage drop pada resistor.

Diharapkan modul ini dapat bermanfaat dalam pemberian informasi kapasitas baterai yang digunakan perangkat embedded selama perangkat tersebut bekerja serta dalam pengembangan yang lebih lanjut dapat mendukung dalam penghematan energi pada perangkat embedded.

2. PERANCANGAN DAN

IMPLEMENTASI

2.1. Perancangan Perangkat Keras

Perancangan perangkat keras dilakukan dengan :

2.1.1 Menghubungkan Resistor Shunt

dengan Arduino Nano sebagai Modul

Pada perancangan ini resistor shunt dihubungkan ke mikrokontroler agar nilai tegangan drop pada salah satu kaki dapat dibaca oleh mikrokontroller melalui pin analog karena nilai nya berupa sinyal analog. Resistor yang

digunakan berukuran 10Ω. Skematika resistor shunt yang terhubung dengan mikrokontroler terdapat pada Gambar 1.

Gambar 1. Perancangan Pengukuran Tegangan menggunakan Resistor Shunt

2.1.2 Menghubungkan Resistor Shunt dan

Arduino Nano dengan LCD sebagai Modul

Pada perancangan ini arduino nano yang telah tehubung dengan resistor shunt dihubungkan ke LCD 16X2 yang berfungsi sebagai penampil arus dan kapasitas baterai oleh modul. Skematika menghubungkan arduino nano dan resistor shunt LCD 16X2 terdapat pada Gambar 2.

2.1.3 Menghubungkan Resistor Shunt dan Arduino Nano dengan LCD sebagai Modul

Pada perancangan ini resistor shunt dihubungkan secara seri dengan dengan perangkat embedded yang akan diukur dan sumber tegangan yang dalam sistem ini menggunakan powerbank. Berikut adalah skematik dari resistor shunt yang terhubung dengan perangkat embedded dan arduino nano terdapat pada Gambar 3.

Gambar 3. Skematik menghubungkan Resistor Shunt dengan Perangkat Embedded

2.2 Perancangan Pengukuran Kapasitas

Baterai oleh Modul

P

ada perancangan ini dibagi menjadi

beberapa sub bagian sebagai berikut :

2.2.1 Pembecaan Nilai Tegangan oleh Modul

Pada perancangan ini arduino nano sebagai modul menerima input tegangan melalui pin analog (A0). Pin analog pada arduino nano secara langsung terhubung dengan converter yang disebut dengan istilah analog-to-digital converter (ADC). Converter ini berfungsi untuk mengubah nilai masukan analog yang masih berbentuk sinyal voltase yang diubah ke dalam bentuk digital/desimal. Converter ADC ini memiliki resolusi 10 bit yang berarti nilai yang dikonversi berkisar antara 0-1023.

Dalam perhitungan nya. maka nilai voltase yang diperoleh melalui pin A0 harus di konversikan oleh ADC sesuai besar resolusinya 0-1023.

2.2.2 Pengukuran Besar Arus pada

Perangkat Modul

Pada perancangan ini perhitungan besar arus dilakukan dengan menerapkan Hukum Ohm. Nilai tegangan yang digunakan nilai hasil pembacaan dari pin analog A0 arduino nano dan nilai hambatan yang digunakan adalah resistor shunt sebesar 10 Ohm. Nilai arus diperoleh dari nilai tegangan dibagi dengan nilai hambatan dengan besaran miliampere (mA) ditambah

40mA yang merupakan besar arus maksimal modul yang diperoleh dari datasheet arduino nano.

2.2.3 Pengukuran Kapasitas Baterai oleh

Modul

Dalam perancangan ini perhitungan kapasitas baterai yang tersedia dilakukan dengan mengubah nilai arus (mA) yang telah dihitung menjadi nilai mili ampere hour (mAH). Nilai persentase diperoleh dari selisih antara nilai kapasitas baterai dengan nilai mAH yang telah diperoleh dibagi dengan nilai kapasitas baterai total dan dijadikan ke dalam bentuk persen.

Dalam pengukuran kapasitas baterai ini juga mengunakan memori EEPROM untuk menyimpan kondisi jumlah baterai sebelumnya. Dengan menggunakan EEPROM ini, sistem dapat menyimpan kapasitas baterai sebelumnya saat sistem mati dan dihidupkan kembali.

Arus Per Jam (mAH)= Arus (mA)/3600 (2)

Kemudian untuk menghitung besar kapasitas baterai, dilakukan perhitungan sebagai berikut :

2.2.4 Menampilkan Besar Arus dan

Kapasitas Baterai melalui LCD

Besar besar arus dan kapasitas baterai yang tersisa akan ditampilkan melalui LCD sebagai media interface sehingga pengguna dapat melihat besar arus dan kapasitas baterai tanpa melalui serial monitor arduino. Pada LCD juga akan menampilkan waktu selama sistem berjalan.

2.2.5 Pengaturan State _Perangkat Embedded

Pada perancangan ini akan mengatur perangkat embedded yang akan diukur yaitu arduino uno. Dalam penelitian ini arduino akan diukur dalam mode state active, mode sleep, dan saat menyalakan 4 lampu LED. Pada mode active terdapat indikator lampu LED merah yang menyala, sedangkan pada saat mode sleep lampu LED akan mati.

2.3 Implementasi Perangkat Keras

Implementasi ini dilakukan dengan :

2.3.1 Menghubungkan Resistor Shunt

dengan Arduino Nano sebagai Modul

Pengukuran tegangan diawali dengan menghubungkan resistor shunt ke pin mikrokontroler A0 dan ground seperti pada Gambar 4.

Gambar 4.Menghubungkan Arduino Nano dengan Resistor Shunt

2.3.2 Menghubungkan Resistor Shunt dan

Arduino dengan LCD 16X2 sebagai Modul

Pada implementasi ini arduino nano yang telah tehubung dengan resistor shunt dihubungkan ke LCD 16X2 yang berfungsi sebagai penampil arus dan kapasitas baterai oleh modul. Implementasi menghubungkan arduino nano dan resistor shunt LCD 16X2 terdapat pada Gambar 5.

Gambar 7.Menghubungkan Arduino Nano dan Resistor Shunt dengan LCD sebagai Modul

2.3.3 Menghubungkan Modul dengan

Perangkat Embedded

Dalam implementasinya modul

dihubungkan secara seri dengan dengan perangkat embedded yang akan diukur dan sumber tegangan yang dalam sistem ini menggunakan powerbank. Seperti pada perancangan. perangkat embedded yang akan diukur adalah Arduino Uno. Implementasi menghubungkan modul dengan perangkat embedded dapat dilihat pada Gambar 6.

Gambar 1. Menghubungkan Modul dengan Perangkat Embedded

2.4 Implementasi Perangkat Lunak

Sesuai dengan perancangan yang telah dibuat. implementasi dibagi menjadi beberapa sub bagian sebagai berikut :

2.4.1 Implementasi Pembacaan Nilai

Tegangan oleh Modul

Pada implementasi ini arduino nano menerima input tegangan melalui pin analog (A0). Agar nilai voltase dapat dibaca dalam bentuk desimal, maka harus dikalikan dengan resolusinya seperti tertera pada arduino IDE pada Gambar 7. Nilai bacaan pin A0 dikalikan dengan besar resolusi converter yaitu 5 volt sebagai tegangan maksimal yang dapat diterima oleh pin analog dibagi 1024 yang merupakan nilai resolusi converter.

Tegangan = 5 / 1024 x tegangan (pin A0) (1)

.

Gambar 7.Program pada Arduino IDE dalam Membaca Nilai Tegangan

2.4.2 Implementasi Pengukuran Besar Arus

pada Perangkat Embedded _{oleh Modul}

Pada implementasi pengukuran besar arus ini dilakukan pada arduino nano menggunakan Hukum Ohm. Dalam sistem ini hambatan yang digunakan adalah resistor shunt berukuran 10 Ohm serta nilai arus ditambahkan dengan besar arus arduino nano yang diambil dari datasheet yaitu sebesar 40mA. Implementasi ini terdapat pada Gambar 8.

(2)

Tegangan (pin A0) Hambatan (RShunt)

Gambar 8. Program pada Arduino IDE dalam Mengukur Arus

2.4.3 Implementasi Pengukuran Kapasitas

Baterai oleh Modul

Dalam implementasi perhitungan

kapasitas baterai yang tersedia oleh modul. maka

dilakukan pengubahan nilai arus

miliampere(mA) yang telah diperoleh melalui perhitungan sebelumnya pada arduino nano akan diubah menjadi besaran miliampere hour (mAH) yang kemudian dilakukan perhitungan presentase kapasitas baterai yang tersedia sesuai dengan perancangan yang telah dibuat. Dalam sistem ini menggunakan baterai sebesar 3200 mAH. Untuk mengubah arus mA menjadi mAH dilakukan perhitungan sebagai berikut :

Arus Per Jam (mAH)=Arus (mA)/3600 (3)

Kemudian

untuk

menghitung

besar

kapasitas baterai, dilakukan perhitungan

sesuai perancangan sebagai berikut :

𝐾𝑎𝑝𝑎𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑖 (%) = 𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 − 𝑚𝐴𝐻 𝐸𝑚𝑏𝑒𝑑𝑑𝑒𝑑_{𝐵𝑎𝑡𝑒𝑟𝑎𝑖 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙} 𝑋 100%

(4)

Serta dalam pengukuran kapasitas baterai ini dengan syntax EEPROM.writeFloat () dan EEPROM.writeFloat() untuk penyimpanan dan pembacaan kapasitas baterai ke dalam memori EEPROM. Implementasi pengukuran kapasitas baterai terdapat pada Gambar 9.

Gambar 9. Program pada Arduino IDE dalam Mengukur Kapasitas Baterai

2.4.4 Menampilkan Besar Arus dan

Kapasitas Baterai melalui LCD

Dalam implementasi ini. LCD berfungsi

untuk menampilkan besar arus dan kapasitas

baterai serta pemberian tampilan waktu

selama

sistem

berjalan.

Syntax

lcd.setCursors

()

berfungsi

untuk

menentukan posisi karakter yang akan

ditampilkan pada LCD. syntax lcd.print()

berfungsi untuk menampilan nilai pada

variabel yang dimaksud. dalam sistem ini

adalah kapasitas baterai dalam bentuk ,

persen besar arus, dan waktu. Implementasi

ini dapat dilihat pada Gambar 10.

Gambar 10. Menampilkan Besar Arus dan Kapasitas Melalui LCD

2.4.5 Implementasi Pengaturan State

Perangkat Embedded

Gambar 11. Implementasi Mode Active Perangkat

Embedded

Dalam implementasi perangkat embedded mode sleep, dilakukan dengan menggunakan library sleep seperti pada Gambar 12.

Gambar 5. 2 Implementasi Mode Sleep Perangkat

Embedded

Implementasi perangkat embedded dalam menyalakan 4 LED dilakukan seperti pada Gambar 13.

Gambar 13. Implementasi Perangkat Embedded

untuk Menyalakan 4 LED

3. PENGUJIAN DAN ANALISIS

3.1 Pengujian Pengukuran Tegangan dan

Arus

Pengujian

ini

bertujuan

untuk

mengukur besar tegangan dan arus yang

digunakan oleh perangkat embedded dalam

3 state, mode active,mode sleep, dan

menyalakan 4 LED. Pengujian ini juga

bertujuan untuk mengukur tingkat akuras

modul dalam mengukur tegangan dan arus.

kabel hitam ke kaki negatif resistor shunt. Selain itu, hasil pengukuran arus oleh modul juga dibandingkan dengan hasil pengukuran arus menggunakan multimeter. Pengukuran arus dengan alat ukur multimeter dilakukan dengan

memutus bagian yang menghubungkan

perangkat embedded dengan resistor shunt, kemudian meletakkan kabel merah multimeter pada bagian perngkat embedded dan kabel hitam multimeter pada kaki postifi resistor shunt.

Hasil pembacaan tegangan ditampilkan pada serial monitor. Data di tampilkan setiap 2 detik sekali. Hasil pengujian modul dalam mengukur tegangan terdapat pada Gambar 14, Gambar15, Gambar 16 dan hasil pengujian pengukuran arus oleh modul terdapat pada Gambar 17, Gambar 18, dan Gambar 19.

Gambar 14. Hasil Pengujian Tegangan pada saat Perangkat Embedded Mode Active

Gambar 15. Hasil Pengujian Tegangan pada saat Perangkat Embedded Mode Sleep

Gambar 17. Hasil Pengujian Arus pada saat Perangkat Embedded Mode Active

Gambar 18. Hasil Pengujian Arus pada saat Perangkat Embedded Mode Sleep

Gambar 19 Hasil Pengujian Arus pada saat perangkat Embedded menyalakan 4 LED

Hasil pengujian tingkat akurasi modul dalam mengukur tegangan dan arus terdapat pada Tabel 1. Pada tabel besar tegangan yang diukur oleh modul merupakan nilai rata-rata dari 10 data tegangan yang ditampilkan pada seriap monitor untuk setiap kali pengujiannya.

Tabel 1. Tabel Pengukuran Tegangan dan Arus

Dari hasil pengujian pengukuran tegangan dan arus oleh modul pada perangkat embedded dalam 3 state (mode active, mode sleep, dan menyalakan 4 LED), modul berhasil melakukan pengukuran tegangan dan arus. Tingkat akurasi modul dalam mengukur tegangan dan arus dibandingkan dengan pengukuran tegangan dan arus menggunakan multimeter sebesar 89,27%.

3.2 Pengujian Pengukuran Kapasitas

Baterai

rata-rata yang telah diukur pada pengujian sebelumnya perangkat embedded dalam active mode sebesar 0,06mA ditambah 40mA sebagai arus pada modul, maka diperoleh nilai battery life dalam mode active sebagai berikut :

Battery Life Time = Kapasitas Total Baterai / Konsumsi Daya

= 3200 mAH / 40,06 mA

= 79,8801797 Hour (5)

Untuk menghitung waktu penurunan baterai dilakukan dengan cara sebagai berikut :

Time (Baterai turun 0,1%) =(Battery Life Time)/1000

=79,8801797/1000

= 0,798801797

= 287,56 Second (6)

Untuk pengukuran battery life dan penurunan baterai sebesar 0,5% dilakukan seperti persamaan (5) dan (6), dengan arus pada mode sleep sebesar 0,04mA dan ketika menyalakan LED sebesar 0,17mA ditambah 40mA sebagai arus yang digunakan oleh modul.

Hasil pengujian pengukuran kapasitas baterai perangkat embedded oleh modul dan pengukuran akurasinya terdapat pada Tabel 6.2.

Tabel 2. Pengujian Akurasi Kapasitas Baterai

No

Akurasi (Rata-rata) 94,56%

Dari hasil pengujian pada Tabel 6.2 diatas, modul memiliki tingat akurasi 94.56% dalam pengukuran kapasitas baterai. Dengan nilai akurasi tersebut, dapat di analisa bahwa modul memiliki tingkat akurasi yang cukup baik dan

dapat dimanfaatkan sebagai pengukur kapasitas baterai yang cukup akurat.

4. KESIMPULAN

Berdasarkan perancangan, implementasi, pengujian, dan analisis yang telah dilakukan, maka penulis menyimpulkan:

1 Implementasi modul untuk mengukur besar arus yang mengalir dilakukan dengan mengambil nilai tegangan drop pada kaki resistor melalui analog pin arduino. Nilai arus dihitung dengan menggunakan hukum ohm dengan tegangan berupa hasil pengukuran pada pin analog serta nilai hambatan berupa besar ohm resistor shunt. 2 Implementasi modul untuk mengukur

kapasitas baterai pada perangkat embedded dilakukan dengan mengubah nilai arus (mA) yang telah dihitung menjadi nilai mili ampere hour (mAH). Nilai mAH yang telah diperoleh akan dibandingkan dengan kapasitas baterai total yang kemudian digunakan untuk mengukur besar presentase kapasitas baterai.

3 Berdasarkan hasil pengujian, tingkat akurasi modul dalam melakukan pengukuran kapasitas baterai sebesar 94,56%.

Dari penelitian ini terdapat saran untuk pengembangan yang lebih lanjut

1. _{Disarankan monitoring kapasitas baterai ini}

dapat dikirim kepada pengguna

menggunakan internet agar dapat dipantau dari jarak jauh.

2. _{Melakukan penelitian lebih lanjut dengan}

memperhatikan real capacity baterai yang digunakan

5. DAFTAR PUSTAKA

Arduino. (2017). Retrieved january 8, 2018, from Arduino: https://www.arduino.cc/

Ai Fitri Silvia, E. H. (2014). Rancang Bangun Akses Kontrol Pintu Gerbang Berbasis Arduino dan Android. ELECTRANS, VOL.13, 1-10.

AutomationIndo. (2016, June 15). Efisiensi Energi Berbasis IoT. Retrieved September 5, 2017, from Automation Indo:

/307/eifsiensi-energi-internet-of-things-iot#.Wa4o06CCy00

Herlambang. (2012, January 28). Shunt Resistor

– The brief introduction. Retrieved November 23, 2017, from nubie lab: http://www.nubielab.com/elektronika/s hunt-resistor-the-brief-introduction

IoT WSN and the Problem of Short Battery Life. (2015, July 7). Retrieved January 8, 2018, from Wireless Sensor Networks Magazine:

http://www.wsnmagazine.com/iot- wireless-sensors-and-the-problem-of-short-battery-life/

Kho, D. (2017). Pengertian, Rumus dan Bunyi Hukum Ohm. Retrieved january 8, 2018,

from Teknik Elektronika:

http://teknikelektronika.com/pengertian -rumus-bunyi-hukum-ohm/

Matthias Spang, N. H. (2017). Evaluation of Current Measurement Accuracy for a Power Module. ISBN 978-3-8007-4424-4, 438.

Nahas, A. M. (2012). Ways for Implementing Highly-Predictable. In A. M. Mouaaz Nahas, Embedded Systems – Theory and Design Methodology (p. 3). Makkah: InTech.

Rouse, M. (2017, June). microcontroller. Retrieved January 5, 2018, from IoT Agenda:

http://internetofthingsagenda.techtarget. com/definition/microcontroller

S.N.M.P. Simamora, D. R. (2012). Teknik Embedded-system dalam Terapannya

untuk membangun Sistem Deteksi.

Seminar Nasional Teknologi Informasi & Komunikasi Terapan .

Shunt Resistor. (n.d.). Retrieved january 8, 2018,

from Resistor Guide:

http://www.resistorguide.com/shunt-resistor/

Silvio Ziegler, R. C.-C. (APRIL 2009). Current Sensing Techniques: A Review. IEEE SENSORS JOURNAL, VOL. 9, NO. 4, , 354.

Srividyadevi P., P. D. (2013). Measurement of Power and Energy Using Arduino .

Research Journal of Engineering Sciences, 10-15.

TechnoLabs, S. (n.d.). LCD 16x2 Aplhanumeric. Retrieved january 8, 2018, from Amazon:

https://www.amazon.in/Alphanumeric-

Display-JHD162A-Arduino-Yellow/dp/B00XT53RI0

WSN-Magazine. (2015, July 7). IoT WSN and the Problem of Short Battery Life. Retrieved January 8, 2018, from Wireless Sensor Networks Magazine: http://www.wsnmagazine.com/iot- wireless-sensors-and-the-problem-of-short-battery-life/