bab ii - tinjauan pustaka golek ambeedded system

5/17/2018 BAB II - Tinjauan Pustaka Golek Ambeedded System - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/bab-ii-tinjauan-pustaka-golek-ambeedded-system 1/15

II-1

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Pada Bab ini akan dibahas berbagai dasar teori yang berhubungan dengan embedded

system, penentuan lokasi menggunakan Global Positioning System (GPS),

pengukuran kualitas udara menggunakan sensor, konsep pengiriman data

menggunakan General Packet Radio Service (GPRS), Indeks Standar Pencemar

Udara (ISPU) yang berlaku di Indonesia, dan kajian yang terkait dengan Tugas Akhir

ini. Dasar teori ini memberikan pemahaman yang lebih mendalam mengenai

komponen-komponen materi yang terlibat dalam Tugas Akhir ini, sehingga akan

mempermudah proses analisis dan perancangan sistem.

2.1 Embedded System

2.1.1. Pengertian Embedded System

Embedded system adalah suatu sistem komputer yang dibangun untuk melakukan

tujuan atau fungsi tertentu. Dalam suatu embedded system, terdapat susunan

perangkat keras dan komponen-komponen mekanik. Komponen-komponen

penyusun embedded system ini dikoordinasikan oleh satu atau lebih chip micro

controller yang yang telah diprogram untuk melakukan fungsi tertentu. Karena

dibangun untuk fungsi tertentu saja, maka pada umumnya komponen utama

embedded system dapat memiliki ukuran yang lebih kecil dengan jumlah dan jenis

komponen penyusunnya sesuai dengan kebutuhan saja. Dengan demikian biaya

produksinya pun dapat ditekan. Hal ini berbeda dari sistem komputer umum, seperti

personal computer , yang lebih fleksibel karena dapat memenuhi berbagai kebutuhan

pengguna. Sebagai konsekuensinya, personal computer harus menyediakan berbagai

macam komponen yang dapat memenuhi kebutuhan pengguna secara umum.

Akibatnya, ukuran komponen utamanya pun menjadi lebih besar dan biaya

produksinya juga menjadi lebih mahal. Namun pada beberapa kasus, embedded

system mungkin saja berupa suatu sistem dengan skala yang sangat besar dan bernilai



II-2

sangat mahal, seperti embedded system pada pembangkit listrik tenaga nuklir atau

sistem control pabrik. Pada intinya, yang membedakan antara embedded system

dengan sistem komputer biasa adalah spesifikasi dari fungsinya.

Suatu embedded system biasanya memiliki sensor-sensor sebagai masukan, seperti

sensor panas, sensor posisi (GPS), sensor pengukur jarak, sensor guncangan, dan

lain-lain. Selain sensor, embedded system juga dilengkapi dengan komponen yang

berfungsi menanggapi hasil penerimaan sensor setelah diproses, yaitu dapat berupa

motor penggerak, layar, ataupun menggunakan modem untuk berkomunikasi dengan

suatu server . Perangkat masukan dan keluaran dalam suatu embedded system dapatbersifat digital jika perangkat tersebut menerima masukan atau memberi hasil dalam

bentuk digital atau analog jika masukan maupun keluarannya berupa sinyal analog.

Semua perangkat masukan dan keluaran dari embedded system ini dikoordinasikan

oleh logika yang telah diprogram ke dalam micro controller yang ditanamkan dalam

sistem ini, atau lebih dikenal sebagai firmware. Inilah inti dari pembuatan suatu

embedded system, karena program dalam micro controller itulah yang menentukan

pemrosesan dan hasil yang dikeluarkan. Berikut ini adalah susunan standar dari suatu

embedded system:

Gambar II-1 Susunan Standar Embedded System



II-3

2.1.2. Teknik Pengembangan Embedded System

Dalam pengembangan suatu embedded system, teknik pembuatan program/ firmware

yang akan ditanamkan/diprogram ke micro controller merupakan suatu hal yangsangat penting untuk diperhatikan. Hal ini disebabkan micro controller pada

umumnya memiliki sumber daya (resource) yang terbatas, baik itu dari segi

pemrosesan maupun tempat penyimpanan data. Disamping itu juga untuk

memudahkan proses debugging, maintenance, atau pengembangan lebih lanjut.

Dalam melakukan pengkodean micro controller pada embedded system, dapat

digunakan bahasa tingkat rendah seperti bahasa assembly maupun bahasa tingkattinggi seperti C. Hingga saat ini, bahasa yang paling banyak digunakan untuk

mengembangkan sebuah embedded system adalah bahasa C. Jika dibandingkan

dengan bahasa assembly, bahasa C lebih banyak digunakan dalam pengembangan

embedded system karena lebih mudah dan cepat dalam implementasinya. Sejumlah

kecil baris kode dalam bahasa C dapat menggantikan banyak baris kode dalam

bahasa assembly. Hal ini juga akan memudahkan pengembang dalam melakukan

debugging dan maintenance kode program. Disamping kemudahan dalam

implementasi, penggunaan bahasa C dapat memberikan tingkat portabilitas yang

lebih tinggi. Hal ini karena compiler bahasa C mendukung berbagai macam

arsitektur micro controller . Apabila digunakan bahasa assembly, maka jika suatu

program akan diterapkan pada micro controller dengan arsitektur yang berbeda,

perlu dilakukan penyesuaian-penyesuaian kode. Sehingga dengan kemudahan dan

tingkat portabilitas yang diperoleh dari penggunaan bahasa C, biaya pengembangan

embedded system pun dapat menjadi lebih murah [ZUR00].

Tahap selanjutnya setelah melakukan pengkodean dan compile adalah tahap

memasukkan program yang telah dicompile ke dalam micro controller , atau dikenal

dengan tahap programming. Dalam pengembangan embedded system, programming

dapat dilakukan dengan langsung menghubungkan komputer dengan embedded

system, atau lebih dikenal sebagai in-system programming. Gambar berikut ini

adalah salah satu contoh piranti penghubung antara komputer dengan embedded

system yang menggunakan teknik in-system programming:



II-4

Gambar II-2 Piranti USBasp

Piranti USBasp ini digunakan untuk memprogram micro controller Atmel AVR.

Apabila embedded system akan diprogram menggunakan piranti ini, maka board

embedded system harus menyediakan jalur khusus yang sesuai dengan piranti ini agar

dapat dilakukan komunikasi. Piranti ini dihubungkan ke komputer melalui kabel

USB dan dihubungkan ke embedded system melalui 6 buah pin komunikasi. Dengan

menggunakan cara ini, proses memprogram dapat dilakukan dengan lebih praktis

tanpa harus memindahkan micro controller , namun board embedded system harus

menyediakan jalur khusus untuk komunikasinya.

Selain menggunakan cara in-system programming, proses programming dapat pula

dilakukan dengan memisahkan micro controller dari embedded system terlebih

dahulu kemudian dilakukan programming dengan menggunakan piranti tersendiri

yang tidak terhubung dengan embedded system. Berikut ini adalah contoh piranti

programmer micro controller yang dapat digunakan untuk memprogram micro

controller Atmel AVR:

Gambar II-3 Programmer Micro Controller STK500



II-5

Untuk menggunakan piranti programmer ini, micro controller dipindahkan

sementara dari embedded system ke tempat yang tersedia pada piranti ini. Kemudian

setelah melakukan programming, micro controller kembali dipindahkan ke

embedded system. Dengan menggunakan cara ini, board pada embedded system tidak

perlu menyediakan jalur khusus untuk melakukan programming, karena proses

programming dilakukan di luar embedded system. Akan tetapi proses programming

akan menjadi kurang praktis karena harus memindah-mindahkan micro controller

dari embedded system ke programmer dan sebaliknya.

2.2 Global Positioning System (GPS)

GPS adalah suatu sistem penentuan posisi maupun kecepatan tiga dimensi dengan

akurasi tinggi yang bersifat kontinu dan memiliki global coverage (berlaku di

seluruh dunia) dengan memanfaatkan teknologi satelit. Sistem GPS terdiri dari 24

buah satelit yang tersusun dalam 6 buah bidang orbit dengan 4 buah satelit pada

masing-masing bidang orbit.

Gambar II-4 Susunan Satelit GPS

2.2.1. Segmentasi GPS

GPS dibagi menjadi tiga buah segmen, yaitu susunan satelit, jaringan pemantau dan

pengontrol di daratan, dan perangkat penerima pada pengguna. Secara formal, ketiga

segmen ini dikenal sebagai segmen space, control, dan user equipment . Susunan



II-6

satelit ini terdiri dari sekumpulan satelit dalam suatu orbit, yang memancarkan sinyal

bagi segmen user equipment . Segmen control bertugas memastikan kondisi, posisi,

dan integritas sinyal dari setiap satelit dalam kondisi yang semestinya. Sedangkansegmen user equipment adalah pihak yang melakukan pemrosesan sinyal dari satelit-

satelit sehingga dapat menghasilkan informasi posisi, kecepatan, dan atau waktu.

2.2.2. Penentuan Lokasi Menggunakan GPS

Proses penentuan lokasi dengan menggunakan GPS dilakukan oleh segmen user

equipment (receiver ). Penentuan posisi dan pergerakan receiver secara dua dimensi

(hanya latitude dan longitude) dapat diperoleh dengan mengkalkulasikan minimal

tiga buah sinyal dari satelit yang berbeda yang ditangkap oleh antenna receiver .

Sinyal yang diterima oleh receiver dapat diterjemahkan menjadi area cakupan dari

satelit asal sinyal yang bersangkutan, dengan radius merupakan perkiraan titik lokasi

receiver dan satelit yang memancarkan sinyal. Dengan mengkalkulasikan titik

potong dari ketiga area radius jangkauan satelit yang tertangkap sinyalnya, maka

akan didapatkan suatu perkiraan yang cukup akurat akan posisi receiver secara dua

dimensi. Metode ini dikenal sebagai trilateration. Apabila minimal satu satelit

tambahan dilibatkan dalam proses kalkulasi posisi, maka akan didapatkan informasi

posisi receiver secara tiga dimensi, yaitu selain informasi latitude dan longitude,

didapatkan juga informasi ketinggian (altitude). Berikut ini adalah gambaran

sederhana dari proses trilateration:

Gambar II-5 Gambaran Sederhana Penentuan Posisi Receiver (Trilateration)



II-7

2.2.3. Protokol Komunikasi GPS (Standar NMEA)

Untuk dapat berkomunikasi dengan GPS receiver , maka diperlukan suatu

pengetahuan akan protokol yang digunakan. Protokol komunikasi yang banyakdigunakan oleh perangkat-perangkat penerima GPS dirancang oleh NMEA ( National

Marine Electronics Association). Protokol ini biasa dikenal sebagai protokol NMEA

0183 atau secara singkat, protokol NMEA. Protokol ini kompatibel dengan RS-232

dengan baud rate 4800 bps, 8 bits, tanpa parity, dan menggunakan satu bit stop. Data

yang ditransmisikan dengan protokol ini dibentuk dalam satuan sentence dalam

format karakter ASCII. Tiap sentence diawali dengan tanda dollar ($) dan diakhiri

dengan carriage return dan line feed (<CR><LF>). Sentence standar yang digunakanada bermacam-macam. Salah satu contoh sentence minimum yang digunakan dalam

penentuan lokasi penerima GPS adalah sentence RMA ( Recommended Minimum

Navigation Information), yang disusun sebagai berikut:

Gambar II-6 Susunan Sentence RMA dalam Protokol NMEA

Keterangan (sesuai dengan nomor pada gambar):

1. Dua karakter pertama adalah kode receiver , diikuti dengan tipe sentence.

2. Blink warning.

3. Latitude. 4. N (north) atau S (south) .

5. Longitude.

6. E (east ) atau W (west ) .

7. Perbedaan waktu A, dalam µs.

8. Perbedaan waktu B, dalam µs.

9. Kecepatan di daratan (dalam satuan knot) .

10. Track made good , dalam satuan derajat.



II-8

11. Magnetic variation, dalam satuan derajat.

12. Arah dari magnetic variation, E (east ) atau W (west ) .

13. Checksum dari sentence.

2.3 Konsep Pengiriman Data Menggunakan General Packet Radio

Service (GPRS)

GPRS merupakan layanan data dengan kecepatan transfer hingga 40kbit/detik.

Layanan GPRS ini dimiliki oleh hampir semua jaringan GSM. GSM adalah

teknologi seluler digital yang digunakan untuk mentransmisikan suara dan data.GSM mendukung panggilan suara, pengiriman SMS (Short Message Service), dan

transfer data dengan kecepatan mencapai 9.6 kbit/detik [GSM09]. GSM beroperasi

pada frekuensi 900 MHz dan 1.8 GHz di Indonesia. Pada awalnya, GSM masih

beroperasi dengan porsi circuit switching yang besar dan porsi packet switching yang

kecil. Packet switching digunakan hanya untuk melakukan signalling [FHM02].

Karena permintaan akan layanan data terus meningkat, setelah melakukan

pengembangan lebih lanjut, maka dicapailah suatu konsep GPRS yang terintegrasidengan sistem GSM. Berikut ini adalah gambar yang menunjukkan arsitektur GPRS:

Gambar II-7 Arsitektur GPRS



II-9

Untuk menghubungkan GPRS dengan arsitektur GSM yang ada saat ini, maka

diperlukan suatu simpul jaringan baru yang dikenal sebagai GPRS Support Node

(GSN). GSN bertanggungjawab dalam pengiriman dan routing dari paket-paket dataantara mobile station (MS) dan packet data network (PDN) eksternal. Sebuah serving

GPRS support node (SGSN) bertanggungjawab dalam pengiriman paket-paket data

dari dan ke mobile station yang berada dalam area layanannya. Tugas dari SGSN

termasuk routing dan transfer paket, manajemen mobilitas (attach/detach dan

manajemen lokasi), manajemen logical link , dan fungsi-fungsi autentikasi dan

charging. Location register dari suatu SGSN menyimpan informasi lokasi dan profil

dari semua pengguna GPRS yang terdaftar pada SGSN tersebut. Sebuah gateway GPRS support node (GGSN) bertindak sebagai interface antara jaringan backbone

GPRS dan PDN eksternal. GGSN bertugas menyesuaikan paket-paket data yang

diterima dari SGSN sehingga sesuai dengan PDP (Packet Data Protocol) yang

cocok, seperti IP ( Internet Protocol) atau X.25, kemudian meneruskan paket-paket

tersebut ke PDN tujuannya. Pada umumnya, hubungan antara SGSN dan GGSN

adalah banyak ke banyak. Sebuah GGSN adalah interface ke PDN eksternal untuk

banyak SGSN, sedangkan sebuah SGSN dapat melakukan routing paket-paketnya ke

banyak GGSN untuk mencapai berbagai PDN [BET99].

Gambar II-8 Contoh Koneksi GPRS-Internet



II-10

Jaringan GPRS dapat terhubung dengan jaringan paket data berbasis IP, seperti

internet atau intranet dan telah mendukung IPv4 dan IPv6. Dengan konfigurasi

layanan seperti yang ditunjukkan pada Gambar II-8, GPRS dapat dianggap sebagaiperluasan dari internet pada jaringan mobile. Sehingga pengguna layanan jaringan

mobile memiliki koneksi langsung ke internet.

2.4 Indeks Standar Pencemar Udara (ISPU)

Pencemaran udara merupakan suatu permasalahan penting yang dihadapi oleh

hampir seluruh kota besar di Indonesia. Dari tahun ke tahun kualitas udara di kota-kota besar di Indonesia cenderung menurun [SIA08]. Atas fakta inilah, maka

diperlukan suatu pengawasan yang memadai terhadap kualitas udara di kota-kota

besar itu. Karena dengan pemantauan kualitas udara yang memadai, pemerintah

masing-masing kota dapat mengambil tindakan-tindakan strategis yang sesuai

dengan kebutuhan kotanya.

Oleh karena itu, sebagai acuan dalam pemantauan kualitas udara, pemerintah telah

menetapkan parameter-parameter kualitas udara beserta tata cara pengukuran,

perhitungan, dan pelaporannya yang dikenal sebagai Indeks Standar Pencemar Udara

(ISPU). ISPU merupakan suatu angka yang tidak memiliki satuan yang

menggambarkan kondisi kualitas udara ambien di lokasi dan waktu tertentu yang

didasarkan pada dampak terhadap kesehatan manusia, nilai estetika, dan makhluk

hidup lainnya [MLH97]. Dengan adanya ISPU, maka penentuan kualitas udara suatu

wilayah dapat terstandardisasi, sehingga informasi yang sampai ke masyarakat

maupun yang akan digunakan oleh pihak-pihak yang berkepentingan untuk

mengambil keputusan mengenai pengendalian kualitas udara menjadi lebih

terpercaya.

Pedoman teknis mengenai tata cara pengukuran, perhitungan, dan pelaporan ISPU

diatur dalam Keputusan Kepala BAPEDAL Nomor 107 tahun 1997. Pada pedoman

teknis tersebut ditetapkan parameter ISPU yang diukur dan periode waktu

pengukuran, seperti yang tertulis pada Tabel II-1.



II-11

Tabel II-1 Parameter ISPU

No Parameter Waktu Pengukuran(Periode pengukuran rata-rata)

1. Debu (PM10) 24 jam

2. Karbon Monoksida (CO) 24 jam

3. Sulfur Dioksida (SO2) 8 jam

4. Nitrogen Dioksida (NO2) 1 jam

5. Ozon (O3) 1 jam

Batas Indeks Standar Pencemar Udara ditampilkan dalam tabel berikut ini:

Tabel II-2 Batas ISPU Untuk Gas Polutan

Indeks Standar

Pencemar Udara

24 jam

PM10 µg/m3

24 jam

SO2 µg/m3

8 jam CO

µg/m3

1 jam O3

µg/m3

1 jam NO2

µg/m3

10 50 80 5 120 -

100 150 365 10 235 -

200 350 800 17 400 1130

300 420 1600 34 800 2260400 500 2100 46 1000 3000

500 600 2620 57.5 1200 3750

Untuk memperoleh angka Indeks Standar Pencemar Udara dari hasil pengukuran,

digunakan rumus berikut ini:

( )

Keterangan:

I = ISPU terhitung

= ISPU batas atas (dari tabel)

= ISPU batas bawah (dari tabel)

= Ambien batas atas (dari tabel)

= Ambien batas bawah (dari tabel)

= Ambien hasil pengukuran



II-12

Dari hasil perhitungan ISPU, dapat diperoleh kategori ISPU sebagai berikut:

Tabel II-3 Kategori ISPU

Rentang Nilai ISPU Kategori (warna)

0-50 Baik (hijau)

51-100 Sedang (biru)

101-199 Tidak Sehat (kuning)

200-299 Sangat Tidak Sehat (merah)

300-500 Berbahaya (hitam)

2.5 Pengambilan Informasi Kualitas Udara

Informasi kualitas udara di sekitar kita dapat diperoleh dengan mengukur konsentrasi

gas-gas berbahaya yang terkandung dalam udara di sekitar kita. Teknik

pengukurannya pun ada bermacam-macam. Selama bertahun-tahun, para ilmuwan

menggunakan teknik analisis kimiawi untuk menentukan kuantitas gas polutan di

udara sekitar. Sebagai contoh, untuk melakukan analisis konsentrasi gas SO2 dan

NO2 digunakan alat seperti gambar berikut ini:

Gambar II-9 Alat Sampling Konvensional Gas SO 2 dan NO 2

Di atas alat tersebut dipaparkan kertas filter yang telah diberi cairan kimia yang dapat

menangkap gas SO2 dan NO2 yang ada di udara sekitar. Setelah dipaparkan dengan

waktu tertentu, kertas filter dianalisis di laboratorium untuk mengetahui berapa

konsentrasi gas SO2 dan NO2 yang terdeteksi.



II-13

Saat ini, kebutuhan akan pemantauan dan pengendalian kualitas udara meningkat

dengan sangat pesat. Atas dasar ini, pengukuran kualitas udara dengan menggunakanprosedur-prosedur konvensional yang salah satunya seperti contoh di atas sudah

tidak efisien lagi. Karena pasti membutuhkan waktu yang cukup lama, sementara

kebutuhan saat ini adalah perolehan informasi kualitas udara secara remote dan

hasilnya dapat diakses dengan mudah. Oleh karena itu, hingga saat ini

pengembangan instrumen-instrumen pengukur konsentrasi gas (polutan) untuk

menentukan kualitas udara terus berjalan.

Penelitian-penelitian para ahli telah banyak menghasilkan inovasi baru. Inovasi-

inovasi tersebut memungkinkan pengukuran konsentrasi gas (polutan) dilakukan

secara cepat dan akurat dengan menggunakan sensor yang berukuran kecil dan dapat

diproduksi secara massal sehingga harganya menjadi cukup murah. Penggunaan dari

sensor-sensor tersebut sudah pasti lebih praktis dan efisien. Berikut ini adalah

gambar yang menunjukkan sebuah sensor gas CO yang ukurannya cukup kecil:

Gambar II-10 Sensor Gas CO

Sensor-sensor yang telah banyak diproduksi saat ini juga memiliki teknologi yang

berbeda-beda. Teknologi yang paling umum digunakan dalam sensor gas adalah

teknologi elektrokimia. Sensor dengan teknologi ini terdiri dari bagian elektrode-

elektrode pengindra kimiawi (chemical-sensing) dan sel-sel elektrokimia. Pada

bagian elektrode pengindra kimiawi, gas dengan volume tertentu yang akan diukur

konsentrasinya melakukan kontak dengan larutan penyerap yang memiliki nilai pH

tertentu. Larutan yang telah tercampur dengan gas tersebut kemudian melewati



II-14

elektrode yang bersifat ion-selective, dimana konsentrasi ion yang sesuai dengan

proporsi gas yang diserap akan diukur secara elektronik. Sel-sel elektrokimia

berfungsi mengukur arus yang dihasilkan dari reaksi elektrokimia dari gas yangdiukur. Gas yang akan diukur terdifusi melalui lapisan semipermeabel menuju sel-sel

elektrokimia. Rasio dari difusi tersebut tergantung dari konsentrasi gas yang diukur.

Ketika elektrolit pengoksidasi berada dalam sel, sejumlah elektron akan dibebaskan

dari elektrode pengindra oleh reaksi oksidasi elektrokimia. Produksi elektron-

elektron mengakibatkan elektrode tersebut memiliki tegangan potensial relatif lebih

rendah daripada elektrode lawannya. Karena terjadi perbedaan tegangan, maka arus

elektron akan mengalir. Aliran arus inilah yang dapat diterjemahkan sebagaikonsentrasi gas yang diukur. Untuk mengukur bermacam-macam gas, dapat

digunakan elektrolit, lapisan semipermeabel, dan bahan elektrode yang sesuai dengan

gas yang diinginkan [WRK81].

2.6 Kajian Terkait

Penelitian tentang pengembangan sistem pemantauan kualitas udara dengan

memanfaatkan embedded system juga telah dilakukan oleh Péter Völgyesi, András

Nádas, Xenofon Koutsoukos, dan Ákos Lédeczi dalam sebuah makalah yang

diterbitkan dalam jurnal IEEE pada tahun 2008, dengan judul “ Air Quality

Monitoring with SensorMap” [PET08]. Sistem yang dibangun terdiri dari sejumlah

perangkat yang diletakkan pada mobil yang memiliki sensor pengukur gas polutan di

udara. Perangkat-perangkat itu dilengkapi juga dengan GPS sebagai pengambil data

posisi dan waktu. Data yang diperoleh kemudian dapat diambil secara offline melalui

perangkat flash memory dengan koneksi USB ataupun melalui koneksi bluetooth.

Perangkat juga dilengkapi dengan sensor temperatur dan kelembaban untuk

mengukur temperatur dan kelembaban lingkungan. Selain itu, perangkat ini juga

dilengkapi dengan layar LCD untuk menampilkan kondisi komponen-komponen

perangkat. Untuk menjaga konsumsi daya agar tetap kecil, perangkat ini dilengkapi

dengan accelerometer untuk memantau pergerakan perangkat. Sehingga apabila

perangkat sedang tidak bergerak, maka komponen-komponen perangkat yang

membutuhkan daya cukup besar dapat dimatikan untuk beberapa saat untuk



II-15

mengurangi penggunaan daya. Berikut ini adalah gambar yang menunjukkan

susunan perangkat yang dikembangkan oleh Péter Völgyesi, et al [PET08]:

Gambar II-11 Komponen Perangkat yang Dikembangkan Oleh Péter Völgyesi, et al

Setelah data-data hasil pengukuran terkumpul di server , data-data tersebut akan

divisualisasikan dalam web dengan menggunakan portal MSR SensorMap seperti

pada gambar berikut ini:

Gambar II-12 Visualisasi Dengan Menggunakan SensorMap

bab ii - tinjauan pustaka golek ambeedded system

Documents