implementasi moving average filter pada …

TE - 016 ISSN : 2407 - 1846

Seminar Nasional Sains dan Teknologi 2014 1Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Jakarta , 12 November 2014

IMPLEMENTASI MOVING AVERAGE FILTER PADA MIKROKONTROLERSEBAGAI PEREDAM NOISE SENSOR PIEZO ELEKTRIK UNTUK

MENDETEKSI GELOMBANG SEISMIK (GEMPA BUMI)

Zulharbi 1

Politeknik Negeri PadangFirdaus 2

Politeknik Negeri PadangYul Antonisfia3

Politeknik Negeri Padang

Sarjon Defit4Universitas Putra Indonesia (UPI)

YPTK Padang

ABSTRAK

Getaran akibat gempa bumi akan mengakibatkan adanya frekuensi gelombang seismik denganfrekuensi rendah (0Hz - 20Hz), untuk mendeteksi keberadaan frekuensi gelombang seismiktersebut dapat menggunakan sensor piezo elektrik. Piezo elektrik adalah sebuah sensor seismikyang mempunyai getaran gempa beramplitudo rendah dan sangat mudah terkontaminasi noisesehingga dibutuhkan filter untuk meredam sinyal noise tersebut. Moving Average (MA) filteradalah suatu metode yang sederhana dan berguna untuk menapis derau acak yang terdapat padaderau asli. MA filter bekerja dengan cara meratakan sejumlah titik tertentu dari isyarat masukanuntuk menghasilkan tiap titik dari isyarat luaran. Gelombang seismic (getaran buatan) padapenelitian ini adalah dengan memberikan amplitudo sensor piezo PVDF antara 3mm, 5mm, 7mm,9mm dan 12mm pada frekuensi 2 Hz (konstan). Sensor piezo mendeteksi kekuatan getaran buatandengan menggunakan Moving Average Filter yang menghasilkan nilai SNR (signal to noiseratio) lebih kecil dibandingkan tidak menggunakan MAF Nilai PGA (peak groundacceleration) dalam satuan grafitasi akan tinggi pada saat sinyal amplitude getaran yangdiberikan juga tinggi (PGA = 0,01G pada saat amplitude getaran 3mm dan 1,43G pada saatamplitude getaran 12 mm).

Kata Kunci : moving average filter, gelombang siesmik (gempa bumi), piezoelektrik,mikrokontroller

I. PENDAHULUAN

Latar belakang

Wilayah Indonesia merupakan daerahdi antara pertemuan dua lempeng benuabesar (lempeng Eurasia dan lempeng Indo-Australia) dan patahan (sesar) semangka,sehingga sangat sering terjadi getaranseismik (gempa bumi). Gempa bumi adalahmerupakan bencana alam yang tidak dapatdiperkirakan kapan akan terjadi dan akibatdari gempa bumi ini sangat besar. BMKG(Badan Meteorologi, Krimatologi, danGeofisika) memiliki peralatan yang canggihuntuk mendeteksi dan memantau keadaanpasca gempabumi

serta memberikan informasi keadaan yangmungkin terjadi (bencana alam), hargaperalatan tersebut sangat mahal, BMKGhanya memiliki peralatan sedikit dan beradadisekitar daerah rawan bencana sehinggainformasi pasca gempa lambat sampainyake masyarakat.

Peralatan-peralatan untuk mendeteksikekuatan gempabumi banyak berkembangyang memanfaatkan sensor-sensor getaranpiezo-elektrik atau accelerometer. Denganberkembangnya alat pendeteksi gempabumi dan wilayah Sumtera Barat khususnya(Indonesia umumnya terletak antarapertemuan dua lempeng benua besar yangmempunyai potensi terjadinya gempabumidan minimnya sarana informasi keadaanpasca gempa serta untuk menerapkan

TE - 016 ISSN : 2407 - 1846


teknologi yang tepat guna, sehingaberkembang ide membuat alat untukmendeteksi kekuatan gempa menerapkanMoving Average Filter yang bertujuanuntuk memberikan informasi kepadamasyarakat di daerah yang jauh dari pusatinformasi (BMKG).

Tujuan dan Manfaat Menerapkan dan memanfaatkan serta

menguji karakteristik komponenelektronik sederhana (sensor piezo-elektrik) untuk mendeteksi kekuatangempa.

Membantu BMKG memberikaninformasi dan membuat peralatanelektronika yang dapat mendeteksikekuatan gempabumi.

Mengamati implementasi MovingAverage Filter pada sensor piezo-elektrik akibat adanya noise yangdihasilkan getaran buatan dapat bekerjasesuai dengan yang diharapkan.

Mensinergi penelitian di PoliteknikNegeri Padang dengan kebijakan danprogram pembangunan nasionalmelalui pemanfaatan teknologi tepatguna serta pemanfaatan sarana danprasarana penelitian yang ada diPoliteknik Negeri Padang.

II. TEORI DASARSensor Piezoelektrik

Perubahan variasi sifat material dapatditinjau sebagai gambaran umum darihubungan antara sifat kimia dengan sensor.Masa dan kecepatan adalah sifat yangpenting untuk sensor piezoelektrik. Olehkarena itu microbalances danmicroviscometers, menggunakan kristalpiezoelektrik, dinyatakan sebagai suatusistem sensor. Kompresi dari suatu kristalquartz menghasilkan suatu potensial listrik.Satu prinsip yang dapat meninjau efek iniuntuk membangkitkan gelombang akustikpada bendap padat dengan mengaplikasikanpotensial listrik bolak-balik ke suatumaterial piezoelektrik ditunjukkan padagambar 2.1. Gelombang akustik, khususnyafrekuensi dan resonant resistance, sangatdipengaruhi oleh kondisi batas yang

dibentuk oleh dimensi fisik dari alat danoleh sifat fisik dari material disepanjanglintasan gelombang.

Sensor piezoelektrik adalah peralatan

elektronik pasif berfase padat (solid-state)yang dapat merespon perubahantemperature, tekanan, dan yang palingpenting merespon sifat fisik (physicalproperties) pada suatu interface antarapermukaan alat dan fluida atau padatanasing. Perubahan pada sifat fisik antara lainseperti masa jenis, kelistrikan, viskositas,dan ketebalan lapisan. Sensor piezoelektrikberoperasi dengan mengobservasipenyebaran dari suatu gelombang akustikmelalui solid-state device. Deteksi sensordilakukan dengan meninjau korelasi variasipenyebaran gelombang akustik ke sejumlahperekam analyte pada permukaan dankemudian ke konsentrasi analyte di dalamsampel yang tertangkap sensor ataudikorelasikan dengan perubahan pada sifatfisik dari interfacial thin films.

Piezoelektrisitas adalah sebuahfenomena saat sebuah gaya yang diterapkanpada suatu segmen bahan menimbulkanmuatan listrik pada permukaan segmentersebut. Sumber fenomena ini adalahadanya distribusi muatan listrik pada sel selkristal. Nilai koefisien muatan piezoelektrikberada pada rentang 1 – 100 picocoloumb/Newton.

Gambar 2.2. Piezo Vibration Sensor

Salah satu kelemahan dari sensorpiezoelektrik adalah sensor tersebut tidak

Gambar 2.1. Prinsip kerja sensor piezoelektrik

TE - 016 ISSN : 2407 - 1846


dapat digunakan untuk pengukuran yangbenar-benar statis. Sebuah gaya statis akanmenghasilkan jumlah nilai yang tetap padabahan piezoelektrik. Ketika bekerja denganpembacaan elektronik konvensional, bahanisolasi tidak sempurna dan pengurangandari perlawanan sensor internal akanberakibat pada hilangnya konstan elektronserta menghasilkan penurunan sinyal.Peningkatan suhu menyebabkan penurunantambahan dalam resistansi internal dansensitivitas. Efek utama pada efekpiezoelektrik adalah dengan meningkatnyabeban tekanan dan suhu, sensitivitasberkurang karena twin-formation.Sementara sensor kuarsa perlu didinginkanselama pengukuran pada suhu di atas 300°C, jenis khusus dari kristal seperti fosfatgalium (GaPO4) tidak menunjukkan formasikembar sampai titik leleh bahan itu sendiri.

Mikrokontroller (Modul Arduino UnoR3)

Arduino adalah platform hardwareterbuka yang ditujukan kepada siapa sajayang ingin membuat purwarupa peralatanelektronik interaktif berdasarkan hardwaredan software yang fleksibel dan mudahdigunakan. Mikrokontroler diprogrammenggunakan bahasa pemrograman arduinoyang memiliki kemiripan syntax denganbahasa pemrograman C. Karena sifatnyayang terbuka maka siapa saja dapatmengunduh skema hardware arduino danmembangunnya.

Gambar 2.3. Modul Arduino Uno R3

Arduino menggunakan keluargamikrokontroler ATMega yang dirilis olehAtmel sebagai basis, namun adaindividu/perusahaan yang membuat clonearduino dengan menggunakanmikrokontroler lain dan tetap kompatibeldengan arduino pada level hardware. Untuk

fleksibilitas, program dimasukkan melaluibootloader meskipun ada opsi untukmembypass bootloader dan menggunakandownloader untuk memprogrammikrokontroler secara langsung melaluiport ISP.

Ada beberapa tipe board Arduino yangtelah dirilis tetapi yang umum digunakansaat ini adalah Arduino Uno dan ArduinoMega. Kali ini kita akan membahasArduino Uno, berikut adalah spesifikasidari Arduino Uno R3 :

Tabel 2.1. Spesifikasi Arduino Uno R3

Gelombang Seismik (Gempabumi)Gelombang seismik adalah strain

dinamik atau strain elastik yang berubahterhadap waktu yang merambat melaluimaterial elastik seperti batuan sebagaitanggapan terhadap suatu gangguandinamik. Gelombang seismik ataugelombang elastik terdiri atas dua jenis,yaitu gelombang tubuh (body wave) dangelombang permukaan (surface wave).

Metode seismik memanfaatkanpenjalaran gelombang seismik ke dalambumi. Yang menjadi objek perhatian utamapada rekaman gelombang seismik dalammetode ini ialah body wave. Gelombang inimerupakan gelombang yang energinyaditransfer melalui medium di dalam bumi.Sedangkan pada surface wave transfer

Mikrokontroller ATMEGA328Tegangan Catu

Daya 5 V

Tegangan Input(Rekomendasi) 7V – 12V

Tegangan Input(Batas) 6V - 20V

Jumlah digitalI/O pin

14 (6 diantaranya dapatdigunakan untuk output

PWM)Jumlah analog

pin 6

Besar arus perpin I/O 40 mA

Besar arus untukpin 3.3V 50 mA

Kapasitas flashmemory

32 KB (0.5 KB telahdigunakan oleh bootloader)

SRAM 2 KBEEPROM 1 KB

Kecepatan Clock 16 MHz

TE - 016 ISSN : 2407 - 1846


energinya pada permukaan bebas, tidakterjadi penetrasi ke dalam medium bumidan hanya merambat di permukaan bumisaja. Body wave dibagi menjadi duamacam, yaitu:

P-wave atau gelombang-P/gelombangprimer. Gelombang ini adalah gelombanglongitudinal dimana arah pergerakanpartikel akan searah dengan arah rambatgelombang. S-wave atau gelombang-S/gelombang sekunder. Gelombang iniadalah gelombang transversal dimana arahpergerakan partikel akan tegak lurus denganarah rambat gelombang.

Kecepatan gelombang-P lebih besardaripada gelombang-S (jika merambatdalam medium yang sama). Gelombang-Pmerupakan gelombang yang pertama kalisampai dan terdeteksi oleh receiver(hydrophone atau geophone). Sedangkangelombang-S kadang tidak terdeteksi olehreceiver untuk jarak yang dekat dengansumber.

Gempa bumi adalah getaran di tanahyang disebabkan oleh gerakan permukaanbumi. Gempa bumi yang kuat dapatmenyebabkan kerusakan besar bagi gedung,jembatan dan bangunan lain, termasukkorban nyawa. Permukaan bumi terbentukdari lapisan batuan paling luar yang disebutkerak bumi. Kerak bumi yang pecahmembentuk potongan-potongan besar yangsaling berpasangan, seperti kepingan puzzleyang besar. Potongan-potongan ini disebutlempeng. Lempeng ini bergerak perlahandan mendesak bebatuan. Akibatnya,tekanan bertambah besar. Jika tekanansemakin besar, bebatuan bawah tanah akanpecah dan terangkat. Pelepasan tekanan inimerambatkan getaran yang menyebabkangempa bumi. Setiap tahun, terjadi sekitar 11juta gempa bumi dan 34.000-nya cukupkuat untuk kita rasakan.

Di bawah kerak bumi terdapat lapisanlunak terbentuk dari batuan panas yanglumer. Kerak bumi yang terbentuk darinikel dan besi dengan bahagian yang padatditengahnya. Kerak tersebut bisa mencapaiketebalan 70 km di bawah barisanpengunungan terbesar di dunia.Kebanyakan gempa bumi berasal dari kerakbumi. Kadang-kadang gempa bumi juga

bisa terjadi pada kedalaman 700 km dibawah permukaan bumi. Atas dasarkedalaman dari posisi gempa, gempa dapatdikategorikan atas 3 kategori:1. Gempa dangkal, (Hyopocenter terletak

pada kedalaman 0 – 65 km)2. Gempa sedang, (Hyopocenter terletak

pada kedalaman 65 – 200 km)3. Gempa dalam, (Hyopocenter terletak

pada kedalaman > 200 km)

Moving Average FilterMoving Average Filter (MAF)

merupakan jenis filter yang sederhana danberguna untuk menapis derau acak yangterdapat pada derau asli. MAF bekerjadenga cara meratakan sejumlah titiktertentu dari isyarat masukan untukmenghasilkan tiap titik dari isyarat luaran.MAF dirumuskan dalam bentuk persamaan:

Misalkan x(t) menunjukkan masukan, y(t)menunjukkan keluaran dan M merupakanpanjang dari MAF, sehingga ada dua carapengoperasian dari MAF yaitu sebagaiberikut :1. One side averaging (merata pada satu

sisi)Agar lebih mudah untuk memahaminya,kita ambil contoh sederhana denganM=5,

Sehingga penjumlahan dimulai dari j =0 sampai M = -1

2. Symmetrical averaging (merata secarasimetris)Agar lebih mudah untuk memahaminya,

kita ambil contoh sederhana dengan M=5:

Pada bagian ini, rentang penjumlahandiubaha menjadi :

TE - 016 ISSN : 2407 - 1846


Jika diperhatikan bahwasanya MA inimerupakan konvulasi isyarat input dengansebuah kernel filter berbentuk pulsa kotakdengan amplitude satu, pengali sklar 1/Mdikeluarkan karena hanya sebuah scalar.Biasanya symemetrical averaging lebihsering digunakan dibanding yang lain.Berikut flowchart (proses) menggunkanaMoving Average Filter (gambar 2.4).

Gambar 2.4. Flowchart Moving AverageFilter

III. METODE PENELITIANUntuk menyelesaikan penelitian

Implementasi Moving Average Filter padaMikrokontroller sebagai peredam noisesensor piezo-elektrik untuk mendeteksigelombang seismic (getaran buatan)menggunakan metode yang dilakukansebagai berikut : Membuat dan menguji sensor piezo-

elektronik (seismograp), sensor inidiharapkan dapat mendeteksi adanyagelombang seismic

Membuat dan menguji rangkain getaranbuatan (seismic frekuensi rendah 3Hz)dengan amplitudo 4mm, 5mm, 7mm,9mm dan 12mm.

Merancang, membuat dan mengujirangkaian elektronika sehinggadiharapkan gelombang seismic yangdihasilkan piezo-elektrik PVDF.

Menerapkan Moving Average Filterpada sensor piezo-elektrik sehingganoise yang dihasilkan gelombangseismic dapat dihilangkan/diredam.

Membuat hasil luaran (tampilan) niaigelombang seismic yang dideteksi olehsensor piezo dalam bentuk Gravitasi.

Piezoelectric FilmVibrationSensor

Buffer Amplifier Attenuator

Clamper + Non-inverting Amplifier

Built-in ADCMicrocontroller

Display/Computer

Gambar 3.1 Diagram blok sistem

Y1

PIEZOELECTRIC

3

21

84

U1A

LF353 5

67

U1B

LF353

E-12V

E+12V

R1

100K

R2100K

R3100K

R4100K

12

J?

CON2

Gambar 3.2 Rangkaian buffer amplifier

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Sensor Piezoelectric (Y1) yangdigunakan adalah berbahan PVDF denganimpedansi output yang sangat besar karenabersifat kapasitif. Oleh karena itu untukmendapatkan sinyal output yang optimalmaka beban yang terhubung ke sensor harusminimal sama dengan impedansi output

TE - 016 ISSN : 2407 - 1846


sensor tersebut. Keuntungan menggunakanbeban dengan impedansi tinggi membuatfrekuensi cut-off sensor akan menurunsebab sensor ini memiliki tanggapanfrekuensi layaknya high pass filter sehinggabandwidth akan melebar dan sensor mampumerespon getaran frekuensi rendah.

Operational amplifier jenis FET sepertiLF353 (U1) memiliki impedansi inputsangat besar (hingga 1 TΩ) dan impedansioutputnya rendah. Karakteristik seperti inidibutuhkan untuk menghindari loadingeffect sensor yang terhubung langsung keanttenuator berupa potensiometer (R1) yangmemiliki resistansi rendah. Jadi BufferAmplifiernya berfungsi sebagai penyesuaiimpedansi dengan gain 1.Attenuator berguna untuk menurunkantegangan karena tegangan output buffermemiliki range±12 Volt sedangkan adcyang ada pada Microcontroller dapatmencuplik data antara 0 – 5 V dc.

Untuk mengeliminasi tegangan minusmaka setelah dilemahkan, tegangan dariBuffer Amplifier di-clamping (U1B,R2,R3)agar level tegangan input untuk adcmemenuhi persyaratan yang diinginkanyaitu 2,5 V pada level tegangan sensor tidakmendeteksi adanya getaran.Sensor piezoelectric miniSense 100memiliki resolusi 1,1 V/g sedangkan adcyang ada pada mikrokontroler diaturmemiliki resolusi 8 bit (20 mV/bit)sehingga adc dapat mendeteksi getaranpaling lemah setara dengan 20 mV/1,1 V/g= 0.018 g1. Sinyal amplitudo getaran 3mm tidak

menggunakan MAF

2. Sinyal amplitudo getaran3mmmenggunakanr MAF point 2

3. Sinyal amplitudo getaran 5mm tidakmenggunakan MAF

4. Sinyal amplitudo getaran 5menggunakan MAF point 2

TE - 016 ISSN : 2407 - 1846


5. Sinyal amplitude getaran 7mm tidakmenggunakan MAF

6. Sinyal amplitude getaran 7mmmenggunakan MAF point 2

7. Sinyal amplitude getaran 9mm tidakmenggunakan MAF

8. Sinyal amplitude getaran 9mmmenggunakan MAF 2 point

9. Sinyal amplitude getaran 12mmtidak menggunakan MAF

10. Sinyal amplitude getaran 12mmmenggunakan MAF2 point

TE - 016 ISSN : 2407 - 1846


PGA = peak ground accelerationSNR = signal to noise ratio

Sebuah sinyal akan baik jika memilikiSNR yang tinggi, terlihat dari hasilpengujian implementasi MAF pada sensorpiezo untuk mendeteksi gelombang sesimikyaitu jika tidak menggunakan MAF makanila SNR lebih kecil dibandingkan jikamenggunakan MAF, namun nilai PGA yangdiinginkan menjadi berkurang karena pointPGA identik dengan frekuensi tinggi ataurespon step yang tajam yang menjadi targetutama MAV filter.

MAF adalah filter yang umumnyadigunakan dalam digital signal processingkarena prosesnya sangat mudah dipahami.Penggunaan filter ini direncanakan untukmengeliminasi gangguan frekuensi yangberada di luar range frekuensi gelombangseismic (gempabumi) yaitu 0Hz–20Hztetapi eksistensinya dapat menghilangkaninformasi PGA yang memang vitaldibutuhkan nilainya.

Tabel 4.1 Hasil Implementasi MAF dengansensor piezoPVDF

NoAmplitudo(mm)

Tidak pakaiMAF

Pakai MAF Ket

PAG (g) SNR PAG(g)

SNR

1 3 0,09 90,3 0,07 63,352 5 0,45 11,73 0,49 11,513 7 0,67 6,61 0,63 6,554 9 0,91 4,85 0,87 4,815 12 1,45 3,04 1,41 3,02

V. KESIMPULAN DAN SARAN1. Frekuesnsi getaran (gelombang seismic)

yang digunakan untuk menguji sensorpiezoPVDF adalah 2Hz denganamplitude 3mm, 5mm, 7mm, 9mm dan12mm.

2. Implementasi Moving Average Filterdapat mengeliminasi gangguan frekuensiyang berada diluar frekuensi gelombangseismic tetapi dapat menghilangkan

informasi peak ground acceleration(PGA).

3. Implementasi Moving Average Filterdapat menaikkan nilai SNR (signal tonoise ratio) tetapi nilai PGAmengakibatkan berkurang.

4. Nilai PGA (peak ground acceleration)dalam satuan grafitasi akan tinggi padasaat sinyal amplitude getaran yang diberikanjuga tinggi (PGA =0,01G pada saatamplitude getaran 3mm dan 1,43G pada saatamplitude getaran 12mm)

DAFTAR PUSTAKA

[1] Huadong,Wu. Mel,Siegel.(2000).Odor-Based Incontinence Sensor.IEEE Instrument and Measurement.

[2] A Syafran Ekasapta , (2008) TeoriSeismik(hhtps://asyafe.wordpress.com)

[3] Muhammad Jafar Elly (2010), SistemPeringatan Dini, LIPI

[4] Neil Morris (2002), Gempa Bumi,penerbit PT. Elex Media Komputindo

[5] KlyX.2012.Arduino.(http://klyx.wordpress.com/2012/09/07/arduino/).MY WEBLOG. Diakses 8 –September – 2014.

[6] Yelfianhar, Ichwan. “PIEZOELEKTRIK”.(http://iwan78.files.wordpress.com/2010/11/8_piezoelektrik.pdf). Diakses (16-07-2014).

implementasi moving average filter pada …

Documents