SISTEM MONITORING BANJIR MENGGUNAKAN SENSOR ULTRASONIK BERBASIS LORA
Rafri Abiansyah Rahman, Slamet Indriyanto, S.T., M. T, Sigit Pramono, S.T., M.T.
S1 Teknik Telekomunikasi IT Telkom Purwokerto
Jl. D.I. Panjaitan No. 128 Kec. Purwokerto Selatan - Kab. Banyumas - Prov. Jawa Tengah
[email protected]
Abstrak - Banjir merupakan salah satu bencana alam yang sering terjadi di Indonesia. Perkembangan teknologi yang pesat membuat banyak alat dibuat untuk menanggulangi bencana banjir yang akan terjadi. Salah satunya menggunakan teknologi LoRa. Penelitian ini bertujuan untuk mengembangkan sebuah protokol komunikasi LoRa sebagai alternatif dari LoRaWAN. Protokol ini dirancang spesifik untuk sistem monitoring banjir tanpa menggunakan internet di dalam arsitekturnya yang diberi nama SLP (Simple LoRa Protocol). Prototype pada penelitian ini dirancang secara sederhana menggunakan media paralon dengan memunculkan data melalui Buzzer dan LCD. Pengujian prototype sistem monitoring banjir ini menggunakan sensor ultrasonik untuk menunjukkan kinerja alat tersebut dengan mengukur parameter Qos (Quality of Service), diantaranya RSSI (Receive Signal Strength Indicator) dan SNR (Signal to Noise Ratio). Hasil yang didapat dari pengujian prototype ini dibagi menjadi 3 kategori, yang pertama jarak 100cm termasuk dalam kategori aman, kedua jarak 80cm termasuk dalam kategori waspada, dan 50cm termasuk dalam kategori bahaya. Dan nilai rata-rata error sensor ultrasonik ini sebesar 1,25% serta rata-rata error secara keseluruhan prototype ini sebesar 3%.
Kata kunci : Monitoring Banjir, Long Range, Prototype, Sensor Ultrasonik, Quality of Service
I. PENDAHULUAN
Perubahan iklim secara global, perubahan penggunaan lahan, dan meningkatnya jumlah penduduk merupakan salah satu ancaman yang menyebabkan terjadinya bencana di Indonesia.
Salah satu bencana di Indonesia yang sering terjadi setiap tahunya adalah bencana banjir[1]. Tercatat oleh Badan Nasional Penanggulangan Bencana (BNPB) pada tahun 2018-2019, terjadi sebanyak 1.379 bencana banjir yang terjadi[2]. Perkembangan teknologi yang berkembang pesat membuat alat penanggulangan banjir dibuat menggunakan Early Warning System (EWS) berbasis Global System for Mobile Communication (GSM) yaitu dengan menggunakan jaringan komunikasi seluler yang disediakan operator untuk mengirimkan sebuah pesan atau Short Message Service (SMS) mengenai kondisi bencana alam. Namun, sensor berbasis GSM ini memiliki kekurangan pada sisi penggunaan pulsa dan juga konsumsi daya relatif besar[3]. Pada penelitian ini mengembangkan sebuah protokol komunikasi LoRa sebagai alternatif dari LoRaWAN. Protokol ini dirancang spesifik untuk sistem monitoring banjir tanpa menggunakan internet di dalam arsitekturnya yang diberi nama SLP (Simple LoRa Protocol).
Protokol ini mendefinisikan data dan proses komunikasi antara node dan receiver dalam jaringan LoRa[4].
II. METODE PENELITIAN
Penelitian ini membahas implementasi jaringan yang akan digunakan untuk sebuah perangkat monitoring bencana banjir.
Perancangan tersebut berbasis alat komuikasi LoRa. Metode yang digunakan pada penelitian ini yaitu Eksperimen, eksperimen pada umumnya digunakan dalam penelitian yang bersifat laboratoris.
1. Alur Penelitian
Mulai
Perancangan dan Pembuatan
Hardware
Pengujian Sistem
Apakah sistem berhasil ?
Hasil Pengukuran
Analisis Hasil Pengukuran QoS
Kesimpulan
Selesai Studi Literature
Perbaikan Sistem
YA TIDAK
A
A
Gambar 2. 1 Flowchart Alur Penelitian
Penelitian dilakukan dalam berbagai tahap yaitu tahap penentuan lokasi pengujian jaringan komunikasi LoRa, perancangan jaringan komunikasi LoRa kemudian tahap pengujian sistem dengan mengukur kinerja parameter QoS pada jaringan komunikasi tersebut.
2. Perancangan Alat
Alur perancangan sistem ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Sistem ini menggunakan sensor ultrasonik berbasis LoRa dengan output Buzzer dan LED.
SENSOR ULTRASONIK
JSN-SR04T
PROSESOR (ARDUINO) &
LoRa (LoRa Range)
DISPLAY LCD &
BUZZER
POWER SUPPLY
Gambar 2. 2 Alur Perancangan Sistem
Tahap awal penelitian ini dimulai dari perancangan dan pembuatan hardware. Perancangan yang pertama adalah merancang sensor ultrasonik yang digunakan untuk mengukur ketinggian debit air pada sungai. Sensor ultrasonik ini akan bekerja apabila debit air pada sungai mencapai ketinggian tertentu dan dikatakan berpotensi banjir. Sensor ultrasonik ini dihubungkan dengan arduino uno yang kemudian akan mengahasilkan output berupa data yang dikirimkan ke buzzer dan LCD. Dari buzzer dan LCD, data selanjutnya dikirmkan melalui end device LoRa.
Setelah end device LoRa menerima data kemudian dikirimkan ke gateway LoRa, gateway LoRa akan menampilkan di LCD.
Gateway LoRa akan memproses dan memuncul berupa hasil data pengukuran QoS melalui serial monitor. Disini, peneliti akan mengukur QoS berupa RSSI dan SNR di serial monitor. Setelah itu, data dapat dilihat di LCD dan Serial Monitor, maka dapat disimpulkan dan diketahui bagaimana kondisi air yang sedang terjadi.
3. Quality of Service (QoS)
Quality of Service (QoS) merupakan suatu metode pengukuran tentang seberapa baik jaringan dan merupakan suatu usaha untuk mendefinisikan karakteristik dan sifat dari satu servis. QoS digunakan untuk mengukur sekumpulan atribut kinerja yang telah di spesifikasikan dan diasosiasikan dengan suatu servis. Pada penelitian ini QoS yang dipakai adalah sebagai berikut :
a. RSSI (Received Signal Strength Indication)
RSSI adalah pengukuran terhadap daya yang diterima oleh sebuah perangkat wireless. Pengukuran dilakukan berdasarkan kekuatan sinyal yang diterima. Hal ini bertujuan untuk mengetahui tingkat keakurasian pengukuran dan perhitungan dengan menggunakan wireless [5]. RSSI merupakan daya yang diterima oleh perangkat wireless pada receiver yang menunjukkan variasi yang besar karena adanya pengaruh fading dan shadowing.
Pengukuran RSSI ini menggunakan nilai spesifik untuk setiap vendor sehingga penilaian antara vendor yang satu dengan yang lain berbeda [5].[5]
b. SNR (Signal to Noise Ratio)
Salah satu parameter kualitas dalam sebuah pengukuran adalah signal to noise ratio (SNR). Parameter ini menggambarkan tingkat perbedaan antara sinyal yang diukur dengan derau yang juga masuk dalam hasil pengukuran. Semakin besar nilai SNR, maka sinyal dan derau semakin mudah dibedakan [5].
4. Point to point
Pada LoRa menggunakan topologi point to point dengan membuat 2 alat dimana alat yang satu berperan sebagai pengirim
(sender) dan alat satunya berperan sebagai penerima (receiver).
Pada setiap alat dilengkapi dengan masing-masing 1 LoRa untuk mengirim dan menerima data. Pada alat pengirim notifikasi berupa buzzer sedangkan pada alat penerima notifikasi berupa tampilan pada LCD yang dapat dilihat oleh user.
III. HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Implementasi
Penelitian ini dilakukan untuk monitoring ketinggian debit air pada sungai untuk mendeteksi terjadinya bencana banjir. Pada musim hujan biasanya ketinggian air sungai akan naik, hal itu menyebabkan masyrakat disekitar aliran sungai berpotensi terkena luapan air sungai (banjir). Maka dari itu, peneliti membuat prototype yang dapat mendeteksi adanya bahaya banjir yang akan datang berupa peringatan suara dari buzzer pada alat yang dibuat, agar masyarakat disekitar aliran sungai dapat waspada terhadap hal yang akan terjadi. Untuk mendeteksi ketinggian air pada sungai, peneliti menggunakan sensor ultrasonik JSN-SR04T. Selanjutnya, pembuatan prototype ini menggunakan beberapa komponen diantaranya mikroprosesor yaitu Arduino Uno R3. Modul yang digunakan adalah modul LoRa yang berfungsi sebagai pengirim dan penerima data dalam monitoring ketinggian debit air.
Lokasi pengujian alat dilakukan di kawasan Perumahan Ledug Sejahtera Jalan Kresna blok B5, menggunakan pipa paralon dengan ukuran 1,10 meter dengan diameter 2mm. Pipa tersebut di isi air dengan 3 ukuran yaitu 100cm, 80cm, dan 50cm. Kemudian dilakukan pengukuran berkala pada media tersebut dengan menggunakan prototype yang sudah dibuat dan langkah terakhir yaitu analisis.
2. Hasil Penelitian Sensor Ultrasonik
Penelitian dilakukan dengan mengukur sensor ultrasonik JSN- SR04T pada meteran. Data di tampilkan melalu serial monitor berjumlah 30 data sampel dalam durasi 30 kali percobaan.
Keseluruhan data yang diambil dalam 30kali percobaan terdapat pada lembar lampiran laporan ini. Dari hasil percobaan sebanyak 30 kali yang dilakukan dari jarak 100cm, 200cm, 300cm, dan 400cm didapatkan rata-rata error pengujian % seperti tabel dibawah ini :
Tabel 3 1 Hasil Pengujian Sensor Ultrasonik
Meteran (cm) Sensor Ultrasonik
JSN-SR04T (cm) Error (%)
100 99 1
200 200 0
300 294 2
400 403 2
Rata-rata Nilai Error Keseluruhan 1,25 %
3. Hasil Perancangan Prototype
Hasil transmitter dan receiver dari rancangan prototype akan ditampilkan pada LCD yang akan memunculkan 3 output dari sensor yang digunakan yaitu kategori aman (pada jarak >100cm), waspada (pada jarak >80cm), dan bahaya (pada jarak >50cm), yang diukur dari dasar air ke permukaan air. Berikut penggambaran skenario jarak pada sensor di pipa paralon :
Gambar 3. 1 Skenario Pengujian pada Jarak 100cm
Gambar 3. 2 Skenario Pengujian pada Jarak 80cm
Gambar 3. 3 Skenario Pengujian pada Jarak 50cm
Pengujian skenario pada gambar 4.2, 4.3, dan 4.4 diuji dengan cara mengukur ketinggian air, yang apabila tinggi permukaan airnya semakin naik maka tanda peringatan (buzzer) akan berbunyi sesuai dengan ketentuan tinggi air yang telah ditentukan.
Skematik komunikasi sensor dengan Arduino sebagaimana pada Gambar 4.5 Pin TX (Echo) pada sensor sebagai pengirim sinyal dihubungkan pada Pin 4, sedangkan Pin RX (Trig) sebagai penerima sinyal dihubungkan pada pin 12 di papan Arduino.
Tegangan kerja sensor sebesar 5V di supply dari papan Arduino.
LCD yang digunakan pada penelitian ini ada 2 buah, yaitu LCD Penerima dan LCD Pengirim. Dimana, LCD tersebut memunculkan running text yang dapat dilihat secara bergantian.
LCD Pengirim memunculkan hasil keseluruhan dari sensor yang telah mengukur debit air. Sedangkan LCD Penerima akan memunculkan kesimpulan atau hasil dari LCD Pengirim berupa running text yang termasuk kedalam kategori aman, waspada, atau bahaya.
Setelah mengetahui hasil dari perancangan prototype yang dibuat, berikut ini adalah data yang dihasilkan dari prototype pada penelitian ini :
Tabel 3 2 Hasil Percobaan pada Prototype
Percobaan Meteran (cm)
Hasil Sensor Ultrasonik
JSN- SR04T
Error
(%) Kategori
1 105 102 3% AMAN
2 100 97 3% WASPADA
3 95 92 3% WASPADA
4 90 88 2% WASPADA
5 85 83 2% WASPADA
6 80 80 0% WASPADA
7 75 73 3% BAHAYA
8 70 69 1% BAHAYA
9 65 64 2% BAHAYA
10 60 60 0% BAHAYA
11 55 57 4% BAHAYA
12 50 53 6% BAHAYA
13 45 42 7% BAHAYA
14 40 40 0% BAHAYA
15 35 34 3% BAHAYA
16 30 28 7% BAHAYA
17 25 23 8% BAHAYA
18 20 19 5% BAHAYA
Error Rata-rata 3%
Untuk melihat keakurasian data yang dihasilkan dari prototype pada penelitian ini, berikut adalah gambar grafik perbandingan antara pengukuran menggunakan meteran dan sensor ultrasonik JSN-SR04T.
Gambar 3. 4 Hasil Data Akurasi antara Pengukuran Meteran dan Pengukuran Sensor Ultrasonik
4. Analisis Sensor Ultrasonik
Pada analisis sensor ultrasonik JSN-SR04T terdapat 4 kali percobaan dengan jarak 100cm, 200cm, 300cm, dan 400cm. Data yang didapatkan saat melakukan percobaan sebanyak 30kali ditampilkan pada serial monitor Arduino IDE. Dari hasil jarak 100cm mendapatkan hasil rata-rata error 1% dari 30 kali percobaan yang dilakukan menggunakan meteran di lapangan.
Pada jarak 200cm mendapatkan error 0% dari 30 kali percobaan yang dilakukan menggunakan meteran di lapangan. Pada jarak 300cm mendapatkan hasil rata-rata error 2% dari 30 kali
10 30 50 70 90 110
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Hasil Data Akurasi Perbandingan Pengukuran
Hasil Pengukuran(cm) Hasil Pengujian(cm)
percobaan yang dilakukan menggunakan meteran di lapangan.
Percobaan terakhir pada jarak 400cm didapatkan rata-rata error 2% dari 30 kali percobaan yang dilakukan menggunakan meteran di lapangan. Sehingga, rata-rata keseluruhan error yang didapatkan adalah 1,25%. Hasil keseluruhan rata-rata tersebut tergolong hasil yang sangat bagus. Sensor ultrasonik JSN-SR04T ini sangat membantu dalam mencari tahu ketinggian yang ingin diketahui, contohnya seperti dalam sensor banjir pada penelitian ini.
5. Analisis Perancangan Prototype
Prototype pada penelitian ini dirancang secara sederhana menggunakan media paralon. Jarak yang menjadi nilai ukur dimulai dari jarak 110cm sampai dengan 20cm. Penghitungan nilai ukur pada prototype ini dibagi menjadi 3 jenis, yang pertama jarak 100cm termasuk dalam kategori aman, kedua jarak 80cm termasuk dalam kategori waspada, dan 50cm termasuk dalam kategori bahaya.
Dari hasil percobaan sebanyak 18 kali yang dilakukan dari jarak 110cm sampai dengan 20cm, didapatkan rata-rata eror pengujian 3%. Pada pengujian eror rate pada penelitian ini tergolong sangat bagus, sebab rata-rata eror yang terjadi hanya 3%.
Eror tertinggi terjadi pada percobaan ke-17 yaitu sebesar 8% yang didapat dari percobaan hasil ukur 25cm dan 23cm. Sedangkan eror terkecil terjadi pada percobaan ke- 6, 10, dan 14 yaitu sebesar 0%.
Selain itu, perbandingan hasil data akurasi yang diukur menggunakan meteran dan sensor ultrasonik sangat kecil, dimana hanya menunjukkan angka 3%. Hal ini termasuk kedalam kategori sangat bagus.
6. Pengujian LoRa
Berikut merupakan hasil dari pengujian LoRa dengan jarak pengujian 40 meter dalam waktu 30 kali percobaan. Pengujian tersebut menggukan 2 parameter pengujian yaitu RSSI (Receive Signal Strength Indicator) dan SNR (Signal to Noise Ratio).
Berikut gambar pengambilan data di lapangan :
Gambar 3. 5 Pengambilan Data pada Jarak 40m
Pada jarak tersebut dapat menghasilkan data yang dipresentasikan dalam bentuk grafik seperti Gambar 3.6 dibawah ini :
Gambar 3. 6 Hasil Percobaan RSSI Jarak 40 m
Pada gambar diatas menjelaskan tentang percobaan nilai RSSI yang dilakukan selama 30 kali. Diantara 30 data yang diambil, ada beberapa nilai yang memiliki indikator termasuk dalam kategori sangat bagus yaitu ditunjukkan pada data ke-8, data ke-9, data ke- 10, data ke-11, dan data ke-12 dengan nilai sebesar -82 dBm.
Sedangkan untuk nilai yang masuk dalam kategori sedang ditunjukkan oleh data ke-2 yaitu sebesar -91 dBm. Untuk rata-rata keseluruhan hasil yang didapat dari data percobaan pada Gambar 4.7 sebesar -65,6 dBm yang termasuk dalam indikator bagus.
Kemudian percobaan pada jarak 110 meter dengan waku pengujian selama 30 kali. Berikut adalah gambar pengambilan data dilapangan :
Gambar 3. 7 Pengambilan Data pada Jarak 110m
Pada jarak tersebut, dapat dilihat presentasi pada grafik yang ditampilkan pada Gambar 3.8 sebagai berikut :
Gambar 3. 8 Hasil Percobaan RSSI Jarak 110 m 60
70 80 90 100
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Data RSSI Jarak 40 Meter
80 85 90 95 100
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Data RSSI Jarak 110 Meter
Pada gambar diatas menjelaskan tentang percobaan nilai RSSI yang dilakukan selama 30 kali. Diantara 30 data yang diambil, ada nilai yang memiliki indikator termasuk dalam kategori sedang yaitu ditunjukkan pada data ke-29 dengan nilai sebesar -93 dBm.
Sedangkan untuk nilai yang masuk dalam kategori sedang ditunjukkan oleh data ke-10, data ke-20, data ke-21, dan data ke- 23 yaitu sebesar 99 dBm. Untuk rata-rata keseluruhan hasil yang didapat dari data percobaan pada Gambar 4.8 sebesar -96 dBm yang termasuk dalam indikator sedang.
Percobaan selanjutnya pada jarak 40 meter dengan waku pengujian selama 30 kali yaitu untuk mendapatkan nilai SNR (Signal to Noise Ratio) dapat dilihat presentasi pada grafik yang ditampilkan pada gambar dibawah ini :
Gambar 3. 9 Data SNR Jarak 40m
Pada Gambar 3.9 menjelaskan tentang percobaan nilai SNR (Signal to Noise Ratio) yang dilakukan selama 30 kali. Diantara 30 data yang diambil, ada nilai yang memiliki indikator termasuk dalam kategori cukup karena nilai yang ada pada grafik tersebut termasuk dalam range indikator 7,0 dB sampai dengan 10,9 dB.
Untuk grafik diatas yang memiliki nilai terendah ditunjukkan oleh data ke-1 dengan nilai sebesar 9 dB, sedangkan data yang memiliki nilai tertinggi ditunjukkan oleh data ke-5, data ke-21, dan data ke- 24 yaitu sebesar 10,75 dB. Untuk rata-rata keseluruhan hasil yang didapat dari data percobaan pada Gambar 3.9 sebesar 9,6 dB yang termasuk dalam indikator cukup.
Kemudian percobaan pada jarak 110 meter memiliki hasil yang dapat dipresentasikan melalui grafik dibawah ini :
Gambar 3. 10 Data SNR Jarak 110 m
Pada Gambar 3.10 menjelaskan tentang percobaan nilai SNR (Signal to Noise Ratio) yang dilakukan selama 30 kali. Diantara 30 data yang diambil, ada nilai yang memiliki indikator termasuk
dalam kategori cukup karena nilai yang ada pada grafik tersebut termasuk dalam range indikator 7,0 dB sampai dengan 10,9 dB.
Untuk grafik diatas yang memiliki nilai terendah ditunjukkan oleh data ke-3, data ke-11, dan data ke-20 dengan nilai sebesar 9 dB, sedangkan data yang memiliki nilai tertinggi ditunjukkan oleh data ke-18 dan data ke-26 yaitu sebesar 10,75 dB. Untuk rata-rata keseluruhan hasil yang didapat dari data percobaan pada Gambar 3.10 sebesar 9,5 dB yang termasuk dalam indikator cukup.
IV. PENUTUP A. Kesimpulan
Berdasarkan hasil dan pembahasan dari penelitian “Sistem Monitoring Banjir menggunakan Sensor Ultrasonik Berbasis LoRa”, maka dapat disimpulkan bahwa :
1. Perancangan penelitian ini dilakukan dengan membuat prototype untuk di implementasikan pada sungai, dengan membuat sistem monitoring menggunakan sensor ultrasonik JSN-SR04T untuk mengukur ketinggian permukaan air sungai.
2. Dari pengujian sensor yang dilakukan, hasil monitoring menunjukkan bahwa prototype tersebut memiliki tingkat akurasi yang sangat bagus. Prototype ini didukung dengan notifikasi berupa buzzer dan tampilan LCD yang mempermudah untuk mengetahui perubahan ketinggian air.
Dengan demikian, masyarakat disekitar aliran sungai dapat lebih dini mengetahui adanya tanda-tanda bencana banjir yang akan datang.
3. Hasil dari parameter QoS yang didapat berupa pengujian RSSI dan SNR dengan jarak 40 meter dan 110 meter. Dari pengujian RSSI menggunakan LoRa pada jarak 40 meter didapatkan rata-rata -65,6 dBm yang termasuk dalam indikator bagus dan pada jarak 110 meter didapatkan rata-rata -96 dBm yang termasuk dalam indikator sedang. Sedangkan dari pengujian SNR menggunakan LoRa pada jarak 40 meter didapatkan rata- rata 9,6 dB yang termasuk dalam indikator cukup dan pada jarak 110 meter didapatkan rata-rata 9,5 dB yang termasuk dalam indikator cukup.
B. Saran
Berkaitan dengan perbaikan beberapa kekurangan pada penelitian kali ini maka beberapa saran perubahan atau perbaikan yang dapat dikerjakan pada penelitian selanjutnya adalah : 1. Membuat aplikasi sederhana dengan menyambungkan internet
didalamnya, agar lebih mudah mengontrol ketinggian air dari jarak jauh.
2. Menambahkan beberapa sensor selain ultrasonik agar lebih lengkap dan tingkat akurasinya lebih tinggi.
3. Memperbaiki kualitas sinyal dari LoRa menjadi LoRaWAN.
REFERENSI
[1] V. Hugo, UNDANG-UNDANG REPUBLIK INDONESIA NOMOR 24 TAHUN 2007 TENTANG PENANGGULANGAN BENCANA. 2007.
[2] BNPB Editorial, “1.586 Kejadian Bencana
Menyebabkan 438 Jiwa Meninggal dan Hilang Terjadi Selama Tahun 2019,” 2019.
https://bnpb.go.id/berita/1586-kejadian-bencana- menyebabkan-438-jiwa-meninggal-dan-hilang-terjadi- selama-tahun-2019 (accessed Aug. 10, 2019).
8 8,5 9 9,5 10 10,5
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Data SNR Jarak 40 Meter
8 8,5 9 9,5 10 10,5
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29
Data SNR Jarak 110 Meter
[3] Orange, LoRa Device Developer Guide. 2016.
[4] A. Chobir, A. Andang, and N. Hiron, “Sistem Deteksi Elevasi Permukaan Air Sungai dengan Sensor
Ultrasonic Berbasis Arduino,” J. Siliwangi, vol. 3, no. 1, pp. 149–155, 2017.
[5] T. S. J. Putra and I. R. Widiasari, “Analisis Kualitas Signal Wireless Berdasarkan Received Signal Strength Indicator ( RSSI ) pada Universitas Kristen Satya Wacana,” Teknol. Informsi, no. 672014132, 2018.
