6

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Kajian Penelitian Terdahulu

Pada bagian ini akan dijelaskan beberapa penelitian terdahulu yang sebagai

referensi dalam melakukan proses penelitian Rancang Bangun Alat Monitoring

Kualitas Udara pada Kandang Ayam Berbasis WEB Menggunakan Protocol

MQTT.

1.2.1 Perancangan Jaringan Sensor Nirkabel (JSN) Untuk Memantau Suhu

dan Kelembaban Menggunakan nRF24L01+

Penelitian perancangan jaringan sensor nirkabel (JSN) untuk memantau

suhu dan kelembaban menggunakan nRF24L01+ disusun oleh Dwi Intan Af’ida,

yang dimana penelitian ini bertujuan untuk memantau suhu dan kelembaban..

Perancangan perangkat lunak pada sistem ini merupakan perancangan program

yang dibutuhkan oleh mikrokontroller ATMega328 pada sisi node sensor 1 dan

node sensor 2 adalah untuk dapat membaca nilai suhu dan kelembaban dari sensor

DHT11, nilai tersebut kemudian mampu dikirimkan melalui modul nRF24L01+ ke

koordinator. Sedangkan perancangan program yang dibutuhkan oleh

mikrokontroller ATMega328 pada sisi koordinator adalah untuk menerima

informasi nilai suhu dan kelembaban melalui modul nRF24L01+, nilai tersebut

kemudian diproses oleh ethernet untuk dapat ditampilkan di website(Af’idah,

Rochim, & Widianto, 2017).

1.2.2 Monitoring Kadar Gas Berbahaya Pada Kandang Ayam Dengan

Menggunakan Protokol HTTP Dan ESP8266

Pada penelitian disusun oleh Muhamad Nur Arifin membuat sistem

monitoring kadar gas berbahaya pada kandang ayam. Sistem secara umum terdiri

dari 2 buah sensor gas, yaitu sensor MQ 135 untuk mendeteksi amonia, dan sensor

MQ 4 untuk mendeteksi metana, dan terhubung ke jaringan internet melalui modul

ESP8266 dengan mikrokontroler Arduino Uno yang bertujuan untuk mengupload

7

data sensor ke web Thingspeak dan ditampilkan dalam bentuk grafik sebagai sarana

informasi dengan rata-rata didapatkan selisih waktu antara lain 12,72 detik pada

pengujian 1 dan 11,26 detik pada pengujian 2(Nur Arifin, Ichsan, & Rizqika Akbar,

2018).

Dari hasil penelitian terdahulu Penelitian pertama membahas mengenai

perancangan jaringan sensor nirkabel untuk memantau suhu dan kelembaban

menggunakan nRF sebagai modul transmisi dan Penelitian kedua membahas

mengenai monitoring kadar gas berbahaya menggunakan protocol HTTP. Pada

penelitian ini akan menggunakan modul WIFI untuk terhubung ke jaringan internet

yang tidak digunakan pada penelitian terdahulu no 1.2.1, penggunaan protocol

MQTT sebagi penghubung dari node ke server yang tidak digunakan pada

penelitian terdahulu no 1.2.2 dan penggunaan broker mosquito sebagai penghubung

ke protocol MQTT dengan jaringan public.

2.1 Pencemaran Gas

Gas berbahaya yang sering ditemukan dalam kandang antara lain NH₃, H₂S,

CO₂, dan metana. Pada konsentrasi tertentu, gas-gas tersebut dapat

menyebabkan kematian (North and Bell, 1990). NH₃, H₂S dan CO₂ seringkali

menyebabkan masalah bagi kesehatan ternak, peternak, dan lingkungan sekitar.

Beberapa penelitian tentang pengaruh NH3 terhadap ternak unggas telah

dilaporkan, diantaranya dapat menurunkan rata-rata pertumbuhan dapat

mengurangi effisiensi pakan, merusak saluran pernafasan (Cronic Respiratory

Disease) dan meningkatkan aktivitas virus ND (New Castle

Disease)(RACHMAWATI, 2000). Batas konsentrasi tersebut disajikan pada Tabel

2.1

Tabel 2. 1 Batas Aman dan Kematian akibat Gas yang Merugikan di Kandang

Ayam(North and Bell, 1990)

Jenis Gas

Batas Kematian (%)

Batas Aman

(%) (ppm)

Ammonia Diatas 0,05 Dibawah 0,0025 Dibawah 25

Hidrogen Sulfida Diatas 0,05 Dibawah 0,004 Dibawah 40

Carbon dioksida Diatas 30,00 Dibawah 1 Dibawah10.000

Methana Diatas 5 Dibawah 5 Dibawah 50.000

8

2.2 Mikrokontroler

Mikrokontroler merupakan chip cerdas yang menjadi tren dalam

pengendalian dan otomatisasi. Dengan banyak jenis, kapasitas memori, dan

berbagai fitur, mikrokontroler menjadi pilihan dalam aplikasi prosesor mini untuk

pengendalian skala kecil (Tri Utomo, Syahputra, & Iswanto, 2011). Mikrokontroler

yang biasa digunakan untuk merancang dan membangun sistem yaitu menggunakan

mikrokontroler yang tertanam pada development board seperti SAMD21 Cortex-

M0+ 32bit low power ARM MCU pada Arduino MKR1000.

Arduino MKR1000 terdapat modul wifi yang akan digunakan untuk

berkomunikasi dengan server. Untuk itu penggunaan Arduino MKR1000 sangat

cocok dalam sistem ini. Gambar 2.1 menunjukkan Arduino MKR1000 :

.

Gambar 2.1 Arduino MKR1000(Arduino, 2018)

Arduino MKR1000 merupakan sebuah open source platform Internet of

Things dan development kit yang menggunakan bahasa pemrograman C untuk

membantu pengembang dalam membuat prototype produk Internet of Things atau

bisa dengan memakai sketch dengan Arduino IDE. Development Kit ini didasarkan

pada modul Arduino MKR1000, yang mengintegrasikan GPIO (General Purpose

Input Output), PWM (Pulse Width Modulation), IIC , 1-Wire dan ADC (Analog to

Digital Converter) semua dalam satu board. Gambar 2.2 menunjukkan konfigurasi

pin Arduino MKR1000.

9

Gambar 2.2 Konfigurasi Pin Arduino MKR1000(Arduino, 2018)

Berikut adalah penjelasan pin yang terdapat pada Arduino MKR1000:

1. 3 pin Vcc 3,3 Volt, 1 pin Vcc 5 Volt dan 4 Pin Ground;

2. S1 MOSI (Master Output Slave Input) yaitu jalur data dari master dan masuk

ke dalam slave, sc cmd/cs;

3. S0 MISO (Master Input Slave Output) yaitu jalur data keluar dari slave dan

masuk ke dalam master;

4. Sk yang merupakan SCLK dari master ke slave yang berfungsi sebagai clock;

5. 8 pin Digital I/O .

6. 7 pin Analog Input.

7. 256 KB Flash Memory

8. 32 KB SRAM

2.3 Sensor

Sensor merupakan alat digunakan untuk mendeteksi kondisi suatu proses,

yaitu perangkat keras untuk mengubah informasi suatu bentuk energi ke informasi

bentuk energi listrik secara proporsional(Nugroho & Suryopratomo, 2013). Data

yang didapat dari sensor dapat digunakan sebagai informasi masukan terhadap

sebuah sistem. Pada pembahasan penelitian ini akan dijelaskan jenis-jenis sensor

10

yang mendukung dalam kegiatan, antara lain SHT11 yang berfungsi sebagai sensor

suhu dan kelembaban, MQ4 yang berfungsi sebagai sensor gas metana, dan MQ137

sebagai sensor gas amonia.

2.6.1 SHT11

SHT11 merupakan sensor temperatur dan kelembaban, yang sudah

terintegrasi analog to digital converter 14 bit. Dan kontroler masukan keluaran.

Ukurannya yang cukup kecil ( 2x4 mm2) sehingga cukup praktis pada banyak

penerapan(Putranto, L, & Nurdiyanto, 2009).

Setiap SHT1x masing masing terkalibrasi pada ruang kelembaban yang

presisi. Koefisien kalibrasi terprogam kedalam memori OTP pada chip. Koefisien

kalibrasi ini digunakan untuk kalbiasi internal sinyal dari sensor. Antarmuka 2-wire

serial dan pengaturan tegangan internal memungkinkan untuk integrase system

secara cepat dan mudah.

Sensor SHT11 dibuat dari CMOS chip, housing sensor terdiri dari LCP cap

dengan epoxy glob top pada substrat FR4. Perangkat ini sepenuhnya RoHS dan

WEEE compliant sehingga bebas dari Pb, Cd, Hg, Cr(6+), PBB, dan

PBDE(“Sensirion - Digital Humidity Sensor SHT1x (RH/T),” n.d.). Berikut

gambar 2.3 merupakan bentuk fisik dari sensor suhu SHT11. Spesifikasi dari sensor

SHT11 secara sederhana dapat dijelaskan secara sederhana pada Tabel 2.3.

Gambar 2.3 SHT11

11

Tabel 2. 2 Spesifikasi SHT11

Spesifikasi Keterangan

Tegangan Operasi 5 V

Range Suhu -40 – 100ºC dengan toleransi kesalahan ± 0.4ºC

Range Kelembaban 0 – 100% dengan toleransi kesalahan ± 3%

Ukuran 7.47 x 4.93 x 2.5 mm

2.6.2 Sensor Gas MQ4

MQ-4 adalah komponen elektronika untuk mendeteksi kadar gas alam

terkompresi / CNG (compressed natural gas) — utamanya mengandung gas

metana (methane, CH4) yang merupakan bentuk paling sederhana dari

hidrokarbon. Walaupun tidak bersifat racun, gas metana dapat berbahaya karena

mudah terbakar (combustive / flammable gas). Gas ini tidak berbau dan tidak

berwarna, menjadikannya sulit untuk dideteksi secara langsung oleh manusia.

Sensor MQ-4 merupakan sensor yang sangat sensitif terhadap CNG dan

dapat mendeteksi konsentrat gas alam di udara mulai dari 300 ppm hingga 10.000

ppm.

Keluaran sensor ini berupa resistansi analog yang dengan mudah dapat

dikonversi menjadi tegangan dengan menambahkan satu resistor biasa. Dengan

mengkonversi impedansi ini menjadi tegangan, hasil bacaan sensor dapat

dibaca oleh pin ADC (analog to digital converter) pada mikrokontroler.

Gambar 2.4 Sensor MQ4(Electronics, n.d.)

12

PPM (parts per million) umumnya digunakan sebagai ukuran tingkat kecil

polutan di udara, air, cairan tubuh, dan lain-lain. PPM adalah rasio massa

antara komponen polutan dan larutan. Satuan konsentrasi ini yang sering

dipergunakan dalam Kimia Analisa. Satuan ini sering digunakan untuk

menunjukkan kandungan suatu senyawa dalam suatu larutan misalnya

kandungan garam dalam air laut, kandungan polutan dalam sungai, atau

kandungan yang lainnya. Konsentrasi ppm tersebut merupakan perbandingan

antara berapa bagian senyawa dalam satu juta bagian suatu sistem. Berdasarkan

datasheet sensor gas MQ 4 terdiri dari 6 kaki pin yaitu pin input, 2 pin GND dan

sisanya pin VCC.

Gambar 2.5 Sensitifitas Sensor MQ-4(Electronics, n.d.)

Gambar 2.5 menunjukkan karakteristik sensitifitas sensor MQ4, ordinatnya

adalah rasio resistensi dari sensor. Absisnya adalah konsentrasi gas. Ro berarti

ketahanan sensor di 10000ppm. Tabel 2.4 merupakan perbandingan nilai CH4 PPM

terhadapt nilai RS/RO.

13

Tabel 2. 3 Perbandingan Nilai PPM CH4 terhadap nilai RS/RO

PPM RS/RO

200.4297 1.75433

223.976 1.686051

250.9952 1.619255

281.2738 1.554059

315.4896 1.49189

351.6399 1.436266

394.0597 1.379366

444.1438 1.321511

496.5455 1.270527

558.9615 1.21855

623.0452 1.178701

700.0154 1.131063

786.7038 1.080566

877.5634 1.048

997.1958 0.993952

1097.397 0.96759

1210.242 0.928597

1344.763 0.89161

1508.858 0.861578

1665.188 0.832375

1868.674 0.8043

2079.365 0.773677

2100.576 0.805739

2306.802 0.748992

2627.331 0.714198

2952.54 0.685987

3269.738 0.661626

3666.661 0.637344

4111.935 0.613446

4651.641 0.583899

5162.479 0.564786

5715.528 0.539961

6317.874 0.521969

7012.487 0.503787

7808.744 0.478334

8804.443 0.459368

9891.794 0.438567

14

2.6.3 Sensor Gas MQ-137

Sensor MQ 137 adalah piranti yang mengubah besaran fisik menjadi besaran

fisik lain, dalam hal ini adalah perubahan kimia sensor menjadi besaran listrik.

Sensor gas untuk mendeteksi gas Amonia Spesifikasi (Environment, n.d.):

• Catu daya heater : 5V AC/DC

• Catu daya rangkaian : 5VDC

• Range pengkururan Amonia : 10 - 200ppm

• Mampu mendeteksi gas Amonia

• Output : analog (perubahan tegangan) dengan tambahan Rload

Gambar 2.6 Pin Sensor Gas MQ137(Environment, n.d.)

Sensor gas MQ137 memiliki sensitivitas yang tinggi terhadap Amonia, juga amina

organik lainnya. Sensornya bisa jadi Digunakan untuk mendeteksi gas berbeda yang

mengandung Amonia.

15

Gambar 2.7 Sensitifitas Sensor MQ-137(Environment, n.d.)

Gambar 2.7 menunjukkan karakteristik sensitifitas sensor MQ137,

ordinatnya adalah rasio resistensi dari sensor. Absisnya adalah konsentrasi gas. Ro

berarti ketahanan sensor. Tabel 2.5 perbandingan nilai NH3 PPM terhadapt nialai

RS/RO.

Tabel 2. 4 Perbandingan Nilai PPM NH3 terhadap nilai RS/RO

PPM RS/RO

10.02 1.45

19.85 1.2

29.73 1.06

39.72 0.97

49.65 0.92

59.47 0.87

69.23 0.83

79.08 0.79

88.62 0.77

101.22 0.76

16

2.8 Internet of Things

Internet of Things (IoT) merupakan sebuah konsep dimana suatu objek yang

memiliki kemampuan untuk mentransfer data melalui jaringan internet tanpa

memerlukan interaksi manusia ke manusia (Architecture, Wang, Daneshmand, &

Hu, 2013). Dalam jaringan Internet terdapat sebuah aturan atau standar yang

mengatur atau mengijinkan terjadinya hubungan, komunikasi, dan perpindahan

data antara dua atau lebih titik komputer yang disebut dengan Protokol. Protokol

dapat diterapkan pada perangkat keras, perangkat lunak atau kombinasi dari

keduanya. Pada tingkatan yang terendah, protokol mendefinisikan koneksi

perangkat keras. Protocol digunakan untuk menentukan jenis layanan yang akan

dilakukan pada internet. Berikut adalah alternatif protokol yang dapat digunakan.

2.8.1 TCP / IP (Trasnmission Control Protocol / Internet Protocol)

TCP / IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) merupakan

sekelompok protokol yang mengatur komunikasi data pada perangkat di internet.

Karena menggunakan protokol yang sama maka perbedaan jenis perangkat dan

sistem operasi antara dua buah perangkat tidak menjadi masalah. Layer pada

protokol TCP/IP tidak sama dengan model OSI. Model TCP/IP memiliki 4 layer,

yakni Network Access / Interface Layer, Internet Layer, Transport Layer dan

Application Layer (Cisco, n.d.).

1. Network Access / Interface Layer

Pada layer ini merupakan gabungan dari layer fisik dan layer jalur data pada

model OSI. Terdiri dari dasar – dasar protokol jaringan seperti halnya ethernet.

2. Internet Layer

Fungsinya layer jaringan pada model OSI, protokol yang bekerja pada layer ini

di antaranya adalah Internet Protocol (IP).

3. Transport Layer

Layer ini memiliki 2 protokol yaitu TCP (Transmission Control Protocol) dan

UDP (User Datagram Protocol)

17

4. Application Layer

Merupakan gabungan dari layer sesi, presentasi, dan aplikasi pada layer model

OSI. Pada layer ini banyak protokol yang digunakan, di antaranya SMTP (Simple

Mail Transfer Protocol), HTTP (HyperText Transfer Protocol).

2.8.2 MQTT (Message Queuing Telemtry Transport)

Protokol MQTT (Message Queuing Telemtry Transport) merupakan protokol

pesan yang sangat sederhana dan juga ringan. Protokol MQTT menggunakan

arsitektur publish dan subcribe yang dirancang secara terbuka dan mudah untuk

diimplementasikan, mampu menangani ribuan pengguna jarak jauh dengan hanya

menggunakan satu server. MQTT menggunakan bandwidth jaringan yang sedikit,

selain itu juga menggunakan sumber daya perangkat yang sedikit pula. Pada

protokol ini berbasis M2M (Machine to Machine) yang artinya dapat

berkomunikasi antar mesin atau perangkat, bisa dua perangkat atau lebih. Arsitektur

dari protokol MQTT dapat dilihat pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Protokol MQTT

Protokol MQTT terdiri dari 2 komponen utama, yaitu MQTT Client dan

MQTT Broker. MQTT Client merupakan protokol yang berada pada perangkat,

seperti halnya Arduino. Sedangkan MQTT Broker berfungsi untung menangani

publish dan juga subcribe data.

MQTT memiliki 3 level QoS (Quality of Service). Level – level ini

memberikan garansi konsistensi dari pengiriman pesan. Client dan broker

menyediakan mekanisme penyimpanan data pengiriman kembali dari pesan

18

sehingga meningkatkan konsistensi data akibat kegagalan jaringan ataupun restart.

Ketiga level tersebut antara lain.

1. Level 0

Pesan dikirimkan hanya sekali. Pesan yang terkirim tergantung dari konsistensi

adanya jaringan dan tidak ada usaha untuk mengirimkan pesan kembali.

2. Level 1

Pesan dikirimkan setidaknya satu kali. Jadi klien setidaknya akan menerima

pesan sekali. Jika subscriber tidak mengakui (acknowledge) maka broker akan

mengirimkan pesan sampai publisher menerima status pengakuan pesan dari klien.

3. Level 2

Pesan pasti diterima satu kali, protokol dengan level ini memastikan bahwa

pesan pasti tersampaikan dan tidak terjadi duplikasi pesan yang terkirim (OASIS,

2014).

Pada sistem ini menggunakan protokol MQTT untuk berkomunikasi,

dikarenakan protokol MQTT memiliki kemudahan dalam pengimplementasiannya

dan juga ringan baik dalam pengirimannya maupun konsumsi tegangannya. Selain

itu, protokol MQTT juga sedikit mengonsumsi bandwidth jaringan sehingga dapat

memangkas cost pada pembuatan sistem ini. Dan yang pasti protokol MQTT

memiliki keamanan yang lebih di bandingan protokol TCP/IP.