34
BAB III
PERANCANGAN
Perancangan dan Pembuatan sistem pemantau kecepatan dan arah angin
menggunakan sonar dan magnetic reedswitch dengan pemantauan via android
merupakan solusi yang tepat untuk kemudahan monitoring secara nirkabel dan
portable, dinamis dan efisien dalam proses pengontrolan, khususnya pada ruang
terbuka, tinggi, dan medan yang susah. Hal ini karena pemantauan kecepatan angin tiak
memerlukan mekanik tetapi memanfaatkan efek sonar ultrasonic dalam
pengukurannya sementara pada arah angin menggunakan inuksi magnet, selain itu
proses pemantauan dapat dilakukan tanpa memerlukan bantuan kabel sebagai media
transfer data. Alat ini juga sangat efisien karena dapat dikendalikan oleh smartphone
android yang telah banyak digunakan diberbagai kalangan. Adapun perancangan
system dari alat ini akan dijabarkan sebagaimana perancangan Hardware dan Software
berikut:
3.1 Perencanaan Hardware
Agar sistem yang dirancang dapat berjalan dengan baik, maka sistem dan alur
kerja dari suatu hardware harus dirancang dengan baik dan dapat berfungsi
sebagaimana mestinya. Perancangan perangkaat keras dan perangkat lunak dari sistem
pemantau kecepatan dan arah angin menggunakan sonar dan magnetic reed switch
mengacu pada block diagram sebagaimana gambar 3.1:
35
3.1.1 Block Diagram
Adapun perancangan diagram blok diagram sistem ditunjukkan sebagaimana
gambar 1:
Ultrasonic Transmitter
(Upstream)
Ultrasonic Receiver
(Upstream)
Atmega 1284
Ultrasonic Transmitter
(Downstream)
Ultrasonic Receiver
(Downstream)
Magnetic Reed
switch Array Modul WIFI
ESP8266
ANDROID
Gambar 3.1: Diagram blok sistem
3.1.2 Perancangan Mekanik
Pada prinsipnya rancangan mekanik untuk sensor kecepatan arah angin
menggunakan metode sonar ultrasonic terdiri dari dua pasang ultrasonic yang saling
berhadapan menempati posisi arah angin, dalam hal ini sensor ultrasonic TX
berhadapan dengan sensor ultrasonic RX (penerima) pada posisi upstream dan
downstream yaitu memancar keatas dan memancar kebawah. Sementara itu Sensor
arah angin menggunakan metode induksi magnetic pada reed switch array yang
ditempatkan pada tiap pada masing masing arah yaitu Utara, selatan, barat dan timur.
Putaran arah akan menginduksi magnetic dan mengaktifkan switch magnet yang ada
dibawahnya sehingga akan menunjuk arah tertentu. Adapun perancangan ditunjukkan
sebagaimana gambar 3.2:
36
Gambar 3.2 Rancangan mekanik
Gambar 3.3 Rancangan mekanik
37
3.1.3 Prinsip kerja
Berdasarkan blok diagram sistem dan perancangan mekanik pada gambar 3.1
dan gambar 3.2, maka prinsip kerja system adalah sebagai berikut:
Prinsip pengukuran yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan metode waktu
tempuh gelombang ultrasonik (time of flight) dengan memanfaatkan perubahan
karakteristik gelombang ultrasonik ketika melewati kondisi aliran udara yang berbeda
yaitu upstream dan downstream.
Berdasarkan pengukuran kecepatan aliran udara dengan menggunakan
gelombang ultrasonik, metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah
menggunakan metode waktu tempuh (time of flight) dengan tipe transduser tertanam.
Pengukuran waktu tempuh gelombang (time of flight) dilakukan secara upstream yaitu
posisi pemancar gelombang (transmitter) berada di posisi bawah dan penerima
gelombang (receiver) berada di atas, selain itu pengukuran juga dilakukan secara
downstream yaitu posisi pemancar gelombang (transmitter) berada di posisi atas dan
penerima gelombang (receiver) berada di bawah. Proses pengiriman gelombang
ultrasonic secara upstream dan downstream ini dibaca oleh microcontroller untuk
dicari waktu tempuhnya dan kemudian dikalkulasi dimana metode sonar yang
digunakan adalah memanfaatkan rambatan suara ultrasonic yang dipengaruhi oleh laju
kecepatan angin tersebut. Adapun proses pembacaan kecepatan arah angin
menggunakan time off flight teori dihitung berdasarkan persamaan berikut:
38
Gambar 3.4 Metode Waktu Tempuh Gelombang Ultrasonik
Dengankonsep GLB dan vector sederhana, didapat bahwa:
Keterangan :
L :jarak transmitter dan receiver (m)
v :kecepatanaliranudara (m/s)
td :waktutempuhsaatpadaposisi downstream(s)
tu :waktutempuhsaatpadaposisi upstream (s)
θ :sudutkemiringan yang dibentukoleh transmitter dan receiver
39
Proses selanjutnya adalah menentukan arah angin dengan menggunakan reed
switch, dimana reed switch sebagaimana perancangan menggunakan 8 buah sensor
yang ditempatkan pada setiap posisi arah mata angin berdasarkan posisi gerakan
mekanik (gambar 3.3). posisi reed switch ikut bergerak bersama sirip mekanik
penunjuk arah angin yaitu bagian rotor, sementara magnet permanent ditempatkan pada
bagian stator disalah satu sisi arah. Saat mekanik bergerak menunjuk arah angin
tertentu maka salah satu reed switch yang bersangkutan akan terindksi magnet
permanent yang berada dibawahnya sehingga switch akan aktif dan dibaca leh
mikrokontroller sesuai posisi reed switch berdasarkan arah tersebut. Dengan demikian
maka arah angin dapat terdeteksi dan selanjutnya disimpan pada memory serta
dikirimkan ke android melalui jaringan wireless WIFI menggunakan modul ESP8266.
Kerana pada alat ini banyak pengkabelan ke sensor yang dibaca oleh mikrokontroller,
maka mikrokontroller dan perangkat lainnya ditempatkan dibagian rotor pula dan ikut
bergerak bersamaan sensor kecepatan angin dan reed switch sementara untuk power
suplay dhibungkan ke kumutator (cincin tembaga) yang terhubung dengan gesekan
karbon brush bustle agar tegangan DC dapat teralirkan ke sistem tanpa harus
menggunakan kabel yang mengganggu laju gerak mekanik pengukuran angin.
3.1.4 Perancangan Sensor Arah Angin
Sensor arah angin yang digunakan pada perancangan ini menggunakan susunan
reed switch yang disusun menempati masing masing arah angin, semenara itu untuk
mengakifkan switch digunakan magnet permanen yang diempakan pada mekanik
mengikuti gerakan sirip udara yang mengikuti arah hembusan angin. Dengan demikian
40
magnet permanen akan menginduksi reed switch yang berada didekatnya sehingga bias
terdeteksi arah angin berdasarkan gerakan sirip tersebut. Adapun rangkaian reed switch
ditunjukkan pada gambar 3.5:
Gambar 3.5 Rangkaian reed switch sensor arah angina
3.1.5 Perancangan Sensor Kecepatan Angin
Sensor kecepatan angin yang digunakan pada perancangan ini mengunakan 2
buah sensor ultrasonic dimana proses penyensoran dilakukan secara upstream dan
downstream untuk mengetahui time of flight arah dari pengaruh aliran udara didalam
pipa. Sensor ultrasonic ditanam didalam pipa sebagaimana gambar peranangan
mekanik, sementara konfigurasi pin yang digunakan pada mikrokontroller ditunjukkan
pada gambar 3.6:
PC6/TOSC1/PCINT2228
PC5/TDI/PCINT2127
PC4/TDO/PCINT2026
PC3/TMS/PCINT1925
PC2/TCK/PCINT1824
PC1/SDA/PCINT1723
PC0/SCL/PCINT1622
AVCC30
AREF32
PC7/TOSC2/PCINT2329
PA6/ADC6/PCINT634
PA5/ADC5/PCINT535
PA4/ADC4/PCINT436
PA3/ADC3/PCINT337
PA2/ADC2/PCINT238
PA1/ADC1/PCINT139
PA0/ADC0/PCINT040
PA7/ADC7/PCINT733
PB6/MISO/OC3A/PCINT147
PB5/MOSI/ICP3/PCINT136
PB4/SS/OC0B/PCINT125
PB3/AIN1/OC0A/PCINT114
PB2/AIN0/INT2/PCINT103
PB1/T1/CLKO/PCINT92
PB0/XCK0/T0/PCINT81
PB7/SCK/OC3B/PCINT158
PD6/ICP/OC2B/PCINT3020
PD5/OC1A/PCINT2919
PD4/OC1B/XCK1/PCINT2818
PD3/INT1/TXD1/PCINT2717
PD2/INT0/RXD1/PCINT2616
PD1/TXD0/PCINT2515
PD0/RXD0/PCINT2414
PD7/OC2A/PCINT3121
RESET9
XTAL113
XTAL212
AVR
ATMEGA1284P
SW1
Utara
SW2
Timur daya
SW3
Timur
SW4
Tengara
SW5
Selatan
SW6
Barat laut
SW7
Barat
SW8
Barat Daya
R1
33K
5V
41
Gambar 3.6 Rangkaian sensor ultrasonic
3.1.6 Perancangan modul WIFI menggunakan Modul ESP8266
Untuk dapat berkomunikasi secara wireless antara sistem dengan smartphone
android, maka pada perancangan ini digunakan perangkat WIFI to serial menggunakan
modul ESP8266 yang dihubungkan ke rangkaian controller. ESP8266 merupakan
piranti elektronik yang bekerja pada protokol wireless IEEE802.11.4/b/g/n atau yang
umum dikenal dengan WIFI. Modul ini bekerja dengan komunikasi serial UART
dengan variable baudrate 9600, 19200, 57600, 115200 dan diakses melalui protokol At
command sehingga dapat dihubungkan langsung ke serial mikrokontroller. Adapun
hubungan pin ATMEGA1284 dengan ESP8266 ditunjukkan pada gambar 3.7:
TX
RX
ULTRASONIC
SRF04
Sig
Vcc
Gnd
Trig
5V
PC6/TOSC1/PCINT2228
PC5/TDI/PCINT2127
PC4/TDO/PCINT2026
PC3/TMS/PCINT1925
PC2/TCK/PCINT1824
PC1/SDA/PCINT1723
PC0/SCL/PCINT1622
AVCC30
AREF32
PC7/TOSC2/PCINT2329
PA6/ADC6/PCINT634
PA5/ADC5/PCINT535
PA4/ADC4/PCINT436
PA3/ADC3/PCINT337
PA2/ADC2/PCINT238
PA1/ADC1/PCINT139
PA0/ADC0/PCINT040
PA7/ADC7/PCINT733
PB6/MISO/OC3A/PCINT147
PB5/MOSI/ICP3/PCINT136
PB4/SS/OC0B/PCINT125
PB3/AIN1/OC0A/PCINT114
PB2/AIN0/INT2/PCINT103
PB1/T1/CLKO/PCINT92
PB0/XCK0/T0/PCINT81
PB7/SCK/OC3B/PCINT158
PD6/ICP/OC2B/PCINT3020
PD5/OC1A/PCINT2919
PD4/OC1B/XCK1/PCINT2818
PD3/INT1/TXD1/PCINT2717
PD2/INT0/RXD1/PCINT2616
PD1/TXD0/PCINT2515
PD0/RXD0/PCINT2414
PD7/OC2A/PCINT3121
RESET9
XTAL113
XTAL212
AVR
ATMEGA1284P
TX
RX
ULTRASONIC
SRF04
Sig
Vcc
Gnd
Trig
5V
42
Gambar 3.7 Rangkaian modul WIFI ESP8266
PC6/TOSC1/PCINT2228
PC5/TDI/PCINT2127
PC4/TDO/PCINT2026
PC3/TMS/PCINT1925
PC2/TCK/PCINT1824
PC1/SDA/PCINT1723
PC0/SCL/PCINT1622
AVCC30
AREF32
PC7/TOSC2/PCINT2329
PA6/ADC6/PCINT634
PA5/ADC5/PCINT535
PA4/ADC4/PCINT436
PA3/ADC3/PCINT337
PA2/ADC2/PCINT238
PA1/ADC1/PCINT139
PA0/ADC0/PCINT040
PA7/ADC7/PCINT733
PB6/MISO/OC3A/PCINT147
PB5/MOSI/ICP3/PCINT136
PB4/SS/OC0B/PCINT125
PB3/AIN1/OC0A/PCINT114
PB2/AIN0/INT2/PCINT103
PB1/T1/CLKO/PCINT92
PB0/XCK0/T0/PCINT81
PB7/SCK/OC3B/PCINT158
PD6/ICP/OC2B/PCINT3020
PD5/OC1A/PCINT2919
PD4/OC1B/XCK1/PCINT2818
PD3/INT1/TXD1/PCINT2717
PD2/INT0/RXD1/PCINT2616
PD1/TXD0/PCINT2515
PD0/RXD0/PCINT2414
PD7/OC2A/PCINT3121
RESET9
XTAL113
XTAL212
AVR
ATMEGA1284P
ANTENNA
ANT
TXD
RXD
Gnd
ESP8266 WIFI
3,3V
3,3V
43
3.2 Perancangan Perangkat Lunak
3.2.1 Algoritma pembacaan arah angin
Adapun algoritma pembacaan arah angin menggunakan reed switch
ditunjukkan sebagaimana gambar 3.8:
Start
Inisialisasi
Baca PORT
(DATA= input reed switch)
Bit 0 ON ? Arah = UtaraY
T
Bit 1 ON ? Arah = Timur LautY
T
Bit 2 ON ? Arah = TimurY
T
Bit 3 ON ? Arah = TenggaraY
T
Bit 4 ON ? Arah = SelatanY
Bit 5 ON ? Arah = Barat DayaY
T
Bit 6 ON ? Arah = BaratY
T
Bit 7 ON ? Arah = Barat LautY
T
Return
Arah = Tidak
terdeteksi
T
Gambar 3.8 flowchart pengukuran arah angin
44
3.2.2 Algoritma pembacaan kecepatan angin
Pembacaan kecepatan arah angin menggunakan dua pasang ultrasonic yang
ditempatkan seara upstream dan downstream sebagaimana mengacu pada gambar 2A.
dengan demikian algoritma perangkat lunak pembacaan pada mikrokontroller
ditunjukkan pada gambar 3.9:
Start
Inisialisasi
Aktifkan sonar ultrasonic Upstream dan
baca waktu tempuh
Set konstanta variable
L=Jarak Ultrasonic transmiter dan receiver
pada mekanik
T=waktu tempuh
downstream
Aktifkan sonar ultrasonic downstream dan
baca waktu tempuh
T=waktu tempuh
downstream
Hitung V (Velocity aliran udara /
kecepatan angin)
Return
Gambar 3.9 flowchart pengukuran kecepatan angin
Untuk menghitung kecepatan angin maka digunakan persamaan berikut:
𝑉 =𝐿
2{1
𝑇1−
1
𝑇2}
45
3.2.3 Algoritma perangkat lunak sistem
Adapun algoritma sistem keseluruhan ditunjukkan pada gambar 3.10:
Start
Inisialisasi
Set modul WIFI to SERVER
Baca arah angin
Simpan pada
memory
Baca kecepatan
angin
Simpan pada
memory
Cek koneksi client
(android)
Client Connected?Y
T
Baca data arah angin dan
kecepatan angin pada memory
Susun pada content data
Kirim content pada client
Send OK ?T
Close connection
Y
Power=OFF?Y
Stop
T
Gambar 3.10 Flowchart sistem keseluruhan