bab 3 metode penelitian - thesis.binus.ac.idthesis.binus.ac.id/doc/bab3/2012-1-01144-sk...
TRANSCRIPT
22
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1 Gambaran Umum Sistem
Sistem ini merupakan sebuah prototipe alat pengukur kadar kualitas
polusi udara yang bisa ditempatkan di pinggir jalan raya dengan 7-Segment
sebagai media penampil informasi rangenya mulai dari 0000 ppm (part per
milion) – 9999 ppm dan display LCD untuk menampilkan kualitas
udara,sehingga pengguna jalan yang lewat bisa melihat secara langsung hasil
deteksi gas beserta tingkat pencemaran udara ditempat tersebut, dan nilai
yang tampil di 7-Segmen akan dikirimkan dengan komunikasi SMS (Short
Massage Service) melalui Modem GSM isinya sesuai dengan tampilan pada
display, informasi SMS akan dikirimkan dari sebuah Modem Serial menuju
ke Modem yang terhubung dengan komputer dimana data yang diterima
nantinya akan disimpan dalam database dan ditampilkan di komputer yang
telah terhubung dengan Modem. Setelah datanya diterima di komputer
disimpan dalam database dan selanjutnya data tersebut bisa disebarkan
melalui berbagai media untuk memberikan informasi tentang tingkat polusi
udara pada suatu tempat
3.2 Perancangan Perangkat Keras
Perancangan Keras meliputi blok diagram sistem dan pemilihan
perangkat keras, dan blok design komponen.
23
3.2.1 Blok diagram
Blok diagram Alat Pemantau Polusi Udara dengan Komunikasi data
menggunakan Modem GSM ditunjukkan pada gambar 3.0
Gambar 3.0 Diagram Blok Sistem
Lingkungan /
Polutan
Sensor Gas Mikrokontroler
AVR
Display
7-Segment
dan LCD
Modem GSM
Modem GSM
PC Database
24
• Untuk gas polusi udara yang dideteksi nantinya akan diproses terlebih dahulu
oleh sebuah rangkaian sensor dan kemudian nilai dari hasil pembacaan modul
sensor berupa data analog diubah menjadi data digital oleh ADC internal dari
modul sensor.
• Data digital dari sensor ini berupa input I2C kemudian akan diproses oleh
mikrokontroler Atmega8535
• Data yang telah diproses oleh mikrokontroler kemudian akan ditampilkan
melalui modul 7-Segment berupa jumlah konsentrasi gas polusi udara, dan
melalui komunikasi serial,
• Data yang telah diproses oleh mikrokontroler ini juga dihubungkan ke
Modem GSM untuk kemudian dikirim ke modem yang terhubung dengan PC
berupa pesan SMS dan ditampilkan dalam komputer tersebut sehingga
datanya bisa dishare
3.2.2 Pemilihan Perangkat Keras
Untuk pemilihan komponen atau perangkat keras menggunakan
modul – modul elekronika yang sudah jadi yang sudah terdapat dipasaran
sehingga memudahkan untuk pemrograman, pemasangan, dan uji coba.
3.2.2.1 Modul mikrokontroler AVR
Penggunaan microcontroller jenis AVR (Alf and Vegard’s Risc
processor) saat ini sudah beredar dipasaran berupa modul single chip dengan
basis mikrokontroler AVR. Pada rancangan ini membutuhkan modul
mikrokontroler AVR untuk pembacaan hasil sensor,pengendalian tampilan 7-
Segment, serta komunikasi data serial. Oleh karena itu digunakan Modul
25
Mikrokonroller kemampuan untuk melakukan komunikasi data serial secara
UART RS-232 serta pemrograman memori melalui ISP(In-System
Programming).
Jenis AT Mega-8535 yang berbasis RISC dengan kecepatan maksimal
16 MHz. Dengan ukuran memori flash 8 KB, SRAM sebesar 512 byte,
EEPROM sebesar 512 byte. Dilengkapi dengan fitur ADC internal dengan
resolusi 10 bit sebanyak 8 channel, port komunitas serial USART dengan
kecepatan maksimal 2,5 Mbps. Mikrokotroler AT Mega-8535 memiliki mode
sleep untuk penghematan penggunaan daya listrik.
Gambar 3.1 Skema Rangkaian Modul Mikrokontroler
26
Gambar 3.2 Tata Letak Modul Mikrokontroler
3.2.2.2 Modul Sensor Gas
Alat ini dirancang dengan menggunakan suatu sensor gas untuk
mendeteksi konsentrasi gas yang ada di udara. Perubahan daya konduksi pada
sensor akan mengakibatkan perubahan hambatan output sensor.Oleh karena
itu digunakan Modul Sensor Gas. Modul Sensor Gas merupakan sebuah
modul sensor cerdas yang mampu memonitor perubahan konsentrasi gas
LPG, iso-butana, propane, CO(Carbon Monoksida), CO2 (karbon dioksida),
CH4 (metana), Alkohol, atau kualitas udara tergantung dari sensor yang
digunakan.
Modul ini kompatibel dengan sensor gas MQ-3 (alkohol), MQ-4
(metana), MQ-6 (LPG, iso-butana, dan propana), MQ-7 (CO), MQ-135
(kualitas udara), dan MG-811 (CO2). Selain itu, modul sensor cerdas ini
dapat berfungsi sebagai kendali konsentrasi gas mandiri secara ON/OFF
27
mengikuti setpoint yang ditentukan. Modul sensor ini dilengkapi dengan
antarmuka UART TTL dan I2C.
Gambar 3.3 Modul sensor gas
Pada modul sensor gas diatas terdapat 2 buah LED indikator yaitu
LED indikator merah dan LED indikator hijau. Pada saat power-up, LED
merah akan berkedip sesuai dengan alamat I2C modul. Jika alamat I2C
adalah 0xE0 maka LED indikator akan berkedip 1 kali. Jika alamat I2C
adalah 0xE2 maka LED indikator akan berkedip 2 kali. Jika alamat I2C
adalah 0xE4 maka LED indikator akan berkedip 3 kali dan demikian
seterusnya sampai alamat I2C 0xEE maka LED indikator akan berkedip 8
kali. Pada saat power-up, LED hijau akan berkedip dengan cepat sampai
kondisi pemanasan sensor dan hasil pembacaan sensor sudah stabil.
Waktu yang diperlukan untuk mencapai kondisi stabil berbeda-beda
untuk tiap sensor yang digunakan tergantung pada kecepatan respon sensor
dan kondisi heater pada sensor. Jika kondisi stabil sudah tercapai, maka LED
28
hijau akan menyala tanpa berkedip.Pada kondisi operasi normal (setelah
kondisi power-up), LED merah akan menyala atau padam sesuai dengan hasil
pembacaan sensor dan mode operasi yang dipilih. Sedangkan selama hasil
pembacaan sensor stabil, LED hijau akan tetap menyala dan hanya berkedip
pelan (tiap 1 detik) jika ada perubahan konsentrasi gas.
Modul sensor gas diatas juga memiliki 1 pin output open collector
yang status logikanya akan berubah-ubah, sesuai dengan hasil pembacaan
sensor gas dan batas atas serta batas bawah yang telah ditentukan. Pin output
ini dapat dihubungkan dengan aktuator (exhaust atau alarm) sehingga modul
ini dapat berfungsi sebagai pemonitor konsentrasi gas secara mandiri. Modul
ini memiliki antarmuka UART TTL dan I2C yang dapat digunakan untuk
menerima perintah atau mengirim data.
Antarmuka TTL
Parameter komunikasi UART TTL adalah sebagai berikut:
• 38400 bps
• Tanpa bit parity
• 8 bit data
• Tanpa flow control
• 1 bit stop
Semua perintah yang dikirim melalui antarmuka UART TTL dimulai
dengan mengirim 1 byte data yang berisi <nomor perintah> dan (jika
diperlukan) n-byte data parameter perintah. Jika perintah yang telah
dikirimkan merupakan perintah yang meminta data dari modul,maka modul
akan mengirimkan data melalui jalur TX TTL
29
Antarmuka I2C
Modul sensor gas memiliki antarmuka I2C. Pada antarmuka I2C ini,
modul ini bertindak sebagai slave dengan alamat sesuai dengan telah
ditentukan sebelumnya. Alamat default adalah 0xE0 menggunakan jalur
komunikasi UART. Antarmuka I2C pada modul mendukung bit rate sampai
dengan maksimum 100 kHz. Semua perintah yang dikirim melalui antarmuka
I2C diawali dengan start condition dan kemudian diikuti dengan pengiriman
1 byte alamat modul. Setelah pengiriman alamat, selanjutnya master harus
mengirim 1 byte data yang berisi <nomor perintah> dan (jika diperlukan) n-
byte data parameter perintah.
Selanjutnya, setelah seluruh parameter perintah telah dikirim, urutan
perintah diakhiri dengan stop condition.Berikut urutan yang harus dilakukan
untuk mengirimkan perintah melalui antarmuka I2C. Jika perintah yang telah
dikirimkan merupakan perintah yang meminta data dari modul, maka data-
data tersebut dapat dibaca dengan mengunakan urutan perintah baca. Berikut
urutan yang harus dilakukan untuk membaca data dari modul sensor gas.
Gambar 3.4 Urutan Tulis Melalui I2C
30
Jika perintah yang telah dikirimkan merupakan perintah yang
meminta data dari modul, maka data-data tersebut dapat dibaca dengan
mengunakan urutan perintah baca. Berikut urutan yang harus dilakukan untuk
membaca data modul sensor gas.
Gambar 3.5 Urutan Baca Melaui I2C Modul Sensor Gas
Sebuah data/parameter yang memiliki range lebih besar dari 255
desimal (lebih besar dari 1 byte) dikirim secara dua tahap. Satu byte data
MSB dikirim lebih dahulu kemudian diikuti dengan data LSB. Misalnya
parameter <dataSensor> yang memiliki range 0 – 1023. Untuk menentukan
kualitas udara digunakan sensor MQ – 135 atau modul sensor gas 1.
3.2.2.3 Display 7-Segment
Untuk menampilkan nilai dari konsentrasi gas yang dideteksi oleh
sensor dalam satuan ppm bisa memakai LCD grafik 16x2 atau 7-Segment.
Agar nilai bisa terbaca lebih jelas maka dipilih display modul 7-Segment
berupa BCD (Binary Coded Decimal) dengan output berupa tampilan 2 angka
desimal (0-9) untuk tiap Segment sehingga output tampilan total modul
31
adalah 00-99.Untuk rancangan alat ini menggunakan 6x2 modul 7-Segment
dengan 6 port enable / port control
Gambar 3.6 Skema Rangkaian Modul BCD 7-Segments
3.2.2.4 Modul LCD Display
Modul LCD Display merupakan modul LCD 16 karakter x 2 baris.
Modul ini mempermudah penggunaan LCD karakter 16x2 dengan hanya
menghubungkannya dengan sebuah port I/O pada mikrokontroler atau
mikroprosesor.
32
Gambar 3.7 Skema Rangkaian Modul LCD
3.2.2.5 Modem Serial dan USB
Sebuah modem GSM (Global System for Mobile Communications)
dibutuhkan untuk dapat mengirimkan data serial dari mikrokontroler ke
handphone atau Modem USB yang terhubung dengan komputer. Oleh karena
itu digunakan Modem Wavecom Fastrack Serial dan USB. Modem Wavecom
Fastrack ini di Indonesia cukup dikenal digunakan pada industri bisnis
rumahan dan bahkan skala besar mulai dari fungsi untuk kirim SMS massal
hingga fungsi sebagai penggerak perangkat elektronik.
33
Gambar 3.8 Modem Wavecom Fastrack 1306B Serial dan USB
3.2.2.6 Level Converter RS-232 Eksternal
Karena pada modul mikrokontroler tidak memiliki level konverter
internal untuk komunikasi serial maka diperlukan suatu rangkaian Level
converter RS-232 eksternal untuk komunikasi serial antara mikrokontroler
dengan Modem GSM yang berfungsi untuk menyamakan tegangan
mikrokontroler dengan Modem GSM.
Gambar 3.9 Skema Rangkaian Level Converter RS-232 Eksternal
34
3.2.2.7 Power Supply
Untuk supply alat ini digunakan Switching Regulator berkapasitas
12 Volt 2 Ampere yang menggunakan supply dari PLN,akan tetapi dalam
implementasi yaitu mengukur tingkat polusi udara di jalanan maka digunakan
batterai aki berkapasitas 12 Volt 7 Ah untuk pengambilan data artinya 12 Volt
7 Ampere hour artinya bila digunakan 1 ampere 1 jam maka batterai ini akan
tahan 7 jam dengan tegangan listrik DC 12 V dan seterusnya bisa diisi ulang
apabila kapasitas aki tersebut habis.
Gambar 3.10 Switching Regulator dan Batterai Aki
3.3 Perancangan Perangkat Lunak
Dalam membuat perangkat lunak yang pertama harus adalah menentukan alur
programnya. Setelah dibuat diagram alir atau flowchart maka dapat dibuat realisasi
programnya. Pada diagram alir ini terdiri dari 3 bagian :
1. Diagram alir keseluruhan dari alat monitor pengukur kualitas udara,
2. Diagram alir ubah alamat sensor gas,
3. Diagram alir komunikasi data hasil deteksi menggunakan Modem
GSM.
35
3.3.1 Diagram Alir
3.3.1.1 Diagram Alir Program Utama
Gambar 3.11 Diagram Alir Program Utama
Mulai
IIMenunggu
Inisialisasi Sensor
IMengirim data hasil
deteksi lewat
Modem GSM
Menampilkan
angka 0000 ppm
di 7-Segment
Menampilkan hasil
deteksi sensor ke 7-
Segment
Selesai
Apakah Sensor
Stabil
Lakukan
Deteksi gas
Terima data dengan
Aplikasi C# dan Simpan
di database
Tidak
Ya
36
Pada saat program pertama kali dijalankan, sensor akan melakukan
proses inisialisasi sensor dengan memanaskan heater di modul sensor
ditandai indikator LED hijau berkedip selama beberapa detik sampai LED
hijau menyala stabil, bila belum stabil maka angka di 7-Segment
menunjukan angka 0000, selanjutnya jika sudah stabil maka sensor akan
bekerja mengukur kualitas udara dengan menggunakan ADC internal sensor
sehingga data yang akan dibaca oleh mikrokontroler sudah berupa data I2C
yang diparalel, data I2C yang dibaca oleh mikrokontroler akan ditampilkan
di 7-Segments untuk menunjukan jumlah konsentrasi gas pada suatu tempat,
kemudian datanya juga dikirim melalui komunikasi serial mikrokontroler ke
Modem GSM dan akan diterima komputer yang terhubung dengan Modem
USB kemudian data akan disimpan dalam bentuk database.
37
3.3.1.2 Diagram Alir Ubah Alamat Tulis Lewat UART Modul Sensor Gas dan
tampilkan melalui I2C ke display 7-Segment
Gambar 3.12 Diagram Alir Program ubah alamat sensor
Mengisi Program di
Eeprom modul Sensor
dengan Alamat Tulis yang
berbeda – beda
Ubah Alamat Tulis
modul sensor lewat
jalur UART
Selesai
Mempunyai alamat awal
secara default 0xE0
Mulai
Menunggu
Inisialisasi Sensor
Tidak bisa Baca I2C sensor
karena alamat tulis sama
Baca hasil deteksi
lewat I2C Sensor
Tampilkan ke display 7-
Segment
Tidak
Ya
38
Agar ke tiga modul sensor tersebut bisa diparalel terlebih dulu harus diganti
alamat tulis, secara default awal alamat tulis dari modul sensor adalah 0xE0, tetapi
berdasarkan manual book modul sensor gas ini bisa diganti alamat tulis dengan
delapan macam alamat seperti 0xE0 0xE2 0xE4 0xE6 0xE8 0xEA 0xEC agar ke
tiga sensor tersebut bisa paralel dalam jalur I2C ke mikrokontroler. Selanjutnya data
dari sensor yang dibaca oleh mikrokontroler untuk ditampilkan ke display 7-Segment
3.3.1.3 Diagram Alir Komunikasi data serial
Data yang telah diproses oleh mikrokontroler ini juga dihubungkan
ke Modem GSM untuk kemudian dikirim Modem USB yang terhubung ke
komputer berupa pesan SMS, setelah pesan SMS diterima maka akan
disimpan dan ditampilkan komputer untuk kemudian data ini bisa disharing
39
3.3.1.3.1 Diagram Alir Kirim data SMS dengan AT-Command
Gambar 3.13 Diagram Alir kirim data SMS dengan AT-Command
Dengan perintah AT+CMGF=1 akan membuat pengiriman data dalam bentuk
teks, lalu masukan nomor tujuan diawali dan akhiri dengan tanta petik (“ ”) dengan
perintah AT+CMGS = “nomor tujuan” lalu enter dengan memasukan karakter ASCII
Mulai
selesai
Menggunakan
AT+CMGF = 1 Untuk
atur mode teks
Memasukan Nomor
Tujuan dengan
AT+CMGS = “no tujuan”
Membaca hasil
deteksi sensor
dengan I2C
Kirim dengan
putchar(26) = kode
Ascii dari ctrl+z
40
13 lalu masukan variable dari baca sensor kemudian kirim dengan perintah menulis
karakter ctrl+z yaitu kode ASCII 26
3.3.1.3.2 Diagram Alir terima data SMS dengan aplikasi dari program C#
Gambar 3.14 Diagram Alir terima data sms dengan Aplikasi menggunakan C#
Isi Aplikasi
C# List Box
kosong
Hapus SMS / DATA
yang ada di List Box
Mulai
Selesai
Mengatur Port
dan Baudrate
untuk Inisialisasi
Menyimpan DATA / SMS ke
Database yang ada di List Box
Membaca SMS /
DATA Klik read
tampilkan di List
Box Aplikasi C#
Cek apa ada SMS
yang masuk
Mengaktifkan
Aplikasi C#
Tidak
Ya
41
3.3.2 Perancangan Aplikasi terima data SMS dan Database
Modem GSM Wavecom (USB interface) dihubungkan ke
PC/Laptop. Setelah itu jalankan aplikasi untuk menerima SMS (yang dibuat
di Microsoft Visual C# 2010). Setelah masuk aplikasinya, kemudian atur
Port (seperti mengatur port setting pada Hyperterminal). Untuk mengecek
port name mana yang tersambung, dapat mengeceknya melalui device
manager. Baudrate yang digunakan adalah 9600, Data bits = 1, Stop Bits =1,
dan Parity Bit dibuat “none”.
Gambar 3.15 Setting Port dan Baud Rate untuk memulai aplikasi
Setelah tersambung diklik “Connect” maka akan muncul tab Read
SMS, bisa lanngsung klik tombol Read, Jika ada SMS yang masuk maka
SMS tersebut akan ditampilkan di List Box, sedangkan jika tidak ada SMS
42
yang masuk maka List Box akan tetap kosong. Ketika SMS yang masuk
dibaca maka akan ditampilkan di List Box kemudian secara otomatis akan
disimpan pada file MS Access (database )
Gambar 3.16 Tampilan Aplikasi C# untuk Terima SMS
Gambar 3.17 Tampilan database Ms Acces untuk simpan data
43
Data diterima dan disimpan didalam database Ms Acces dimana informasi
dari pesan SMS tersebut dibagi berdasarkan field yang telah dibuat di Ms
Access. Field tersebut antara lain Waktu (waktu penerimaan pesan), ID
(nomor pengirim), No_CO2_Asap (target gas untuk Air Quality Sensor), CO
(memuat pengukuran Karbon monoksida), Methane (memuat pengukuran
gas metana/CH4), Kualitas Udara (field ini berisi informasi kategori kualitas
udara berdasarkan data dari NO_CO2_Asap)[1], serta lokasi (field ini berisi
informasi dimana lokasi penempatan sensor).
3.4 Rancang Bangun
Rancangan dibuat sedemikian rupa agar menjadi sebuah prototipe
papan nilai yang menunjukan jumlah konsentrasi gas dalam satuan ppm,
sensor1 yaitu sensor MQ-135 (kualitas udara), sensor2 MQ-7 (CO), Sensor3
MQ-4 (Methane) hasil sensor ditampilkan ke modul BCD 7-Segment yang
telah dicascade port datanya terhubung ke PortA, dan untuk menyalahkan 1
modul, pin enablenya harus dihubungkan ke salah satu PortB yakni PB.0 –
PB.5 di modul mikrokontroler, PortC dihubungkan dengan modul display
LCD untuk menunjukan kualitas udara, dan port serial dihubungkan dengan
Modem GSM
44
3.4.1 Rancang bangun sketsa tampak dasar dan bawah
Gambar 3.18 Sketsa rancangan tampak dasar
Gambar 3.19 Sketsa rancangan tampak bawah
40 cm
25 cm
Tampak dasar
40 cm
Tampak bawah
45
3.4.2 Rancang bangun sketsa penutup layer atas
Gambar 3.20 Sketsa penutup tampilan alat
3.4.3 Rancang bangun alat keseluruhan
Gambar 3.21 Sketsa tampilan alat
46
3.4.4 Tampilan rancangan alat keseluruhan
Gambar 3.22 Tampilan alat