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