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