22

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 ALAT DAN BAHAN YANG DIGUNAKAN

Pada perancangan penelitian ini alat yang digunakan yaitu terdiri dari

perangkat penyusun hardware dan software yang digunakan. Perancangan

hardware yang digunakan yaitu menggunakan satu laptop, dua buah Arduino Uno,

LoRa Dragino Shield 915 MHz, Antena dBi, Sensor Gas MQ- 135, Sensor Gas MQ

– 7, Sensor Debu GP2Y1010AU0F, Wemos D1 mini, Baterai Power Bank, Kabel

Jumper. Kemudian, software yaitu terdiri dari ThingSpeak, Thingsview, Arduino

IDE, HTTP (Hypertext Transfer Protocol). Arduino Uno berfungsi sebagai

mikrokontroler atau otak pengendali dengan mengolah data yang dikirim dari

masing-masing perangkat, Arduino Uno terdapat pada End-device dan Gateway.

Kemudian Software Arduino IDE yaitu sebagai program yang mengatur untuk

perintah masukan dan keluaran. Protokol yang digunakan dalam penelitian ini yaitu

HTTP dimana hasil pengambilan data akan ditampilkan pada ThingSpeak dan juga

Thingsview.

Tabel 3. 1 Perangkat Hardware

NO Alat dan Bahan Jumlah

1. Laptop terinstal Arduino IDE 1

2. Arduino Uno 2

3. LoRa Dragino Shield 915 MHz 2

4. Antena dBi 2

5. Wemos D1 mini 1

6. Sensor Gas MQ – 135 1

7. Sensor Gas MQ – 7 1

8. Sensor Debu GP2Y1010AU0F 1

Tabel 3. 2 Software yang digunakan

NO Nama Software

1 Arduino IDE

2 ThingSpeak

3 Thingsview

4 Wireshark

23

3.2 ALUR PENELITIAN

Alur pada proses pengerjaan penelitian ini, yaitu mengenai implementasi

IoT pada sistem monitoring kualitas udara mengacu pada diagram alur yang

ditunjukan pada gambar 3.1. hal yang dilakukan pada penelitian ini yaitu dengan

merancang hardware, dimana selanjutnya ada dilakukan perancangan sistem,

kemudian perancangan hardware dan perancangan sistem akan diuji, apabila

terdapat kendala maka akan kembali lagi pada perancangan hardware dan sistem.

Apabila berhasil maka dilakukan pengukuran perangkat setelah itu, akan dianalisis

hasil data berdasarkan pengukuran pada tahap sebelumnya dan akan diberikan

kesimpulan mengenai penelitian yang dilakukan.

Gambar 3. 1 Flowchart Alur Penelitian

Start

Perancangan

Hardware

Perancangan

Sistem

Pengujian Hardware

dan Sistem

Apakah

Sistem Sudah

Sesuai ?

Pengukuran

Perangkat

Analisis Hasil

Pengukuran

Perangkat

Kesimpulan

Finish

Perbaikan

Sistem

NO

YES

24

3.1 Perancangan Hardware

Pada perancangan susunan hardware keseluruhan dapat dilihat pada

gambar 3.2. Pada perancangan ini dibagi menjadi dua bagian yaitu bagian End

– device dan gateway. Dimana End – device adalah perangkat antarmuka atau

interface antara pengguna dan jaringan komunikasi dasar. Pada End-device

dilakukan pengambilan data dengan 3 sensor yang digunakan yaitu Sensor Gas

MQ-135, Sensor Gas MQ-7, Sensor debu GP2Y1010AU0F. Gateway dimana

digunakan sebagai media untuk menghubungkan satu jaringan ke jaringan

computer dengan satu atau beberapa jenis computer lainnya, dengan

menggunakan sistem protokol yang berbeda sehingga jaringan komputer dapat

mengakses satu sama lain. Jarak pengambilan data antara end-device dengan

gateway yaitu ±70 m.

Gambar 3. 2 Perancangan Sistem Keseluruhan

a. Perancangan Pada End-device

Pada gambar 3.3 Perancangan hardware pada End-device dimana

Arduino sebagai mikrokontroler atau sebagai otak pengendali sensor – sensor

yang ada pada arduino. Dalam arduino deprogram dengan bantuan software

Arduino IDE untuk dapat membaca sensor yang digunakan untuk mengukur

kualitas udara. Pada End-device terdiri dari tiga sensor yaitu sensor gas MQ-

135 merupakan sensor yang digunakan untuk mengukur gas Karbondioksida

(C02) yang ada pada udara, kemudian sensor gas MQ-7 yang digunakan untuk

mengukur gas Karbonmonoksida (CO) yang ada pada udara dan sensor

GP2Y1010AU0F yang digunakan untuk mengukur partikulat debu yang ada di

25

udara, kemudian LoRa Dragino Shield 915 MHz sebagai protokol komunikasi

menghubungkan ke gateway.

Gambar 3. 3 Perancangan Pada End-Device

Gambar 3. 4 Rangkaian Perangkat Pada End-device

Tabel 3. 3 Koneksi Port Sensor Gas MQ-7 ke Arduino Uno

Port Sensor MQ-7 Port Arduino Uno

VCC 5V

GND GND

AO A1

Tabel 3. 4 Koneksi Port Sensor Gas MQ-135 ke Arduino Uno

Port Sensor MQ-135 Port Arduino Uno

VCC 5V

GND GND

AO A0

26

Tabel 3. 5 Koneksi Sensor Debu GP2Y1010AU0F ke Arduino Uno

Port Sensor GP2Y1010AU0F Port Arduino Uno

V-LED 5V + res 150 Ω

LED – GND GND

Vo A2

LED D12

S-GND GND

Vcc 5V

b. Perancangan Pada Gateway

Pada gambar 3.5 Perancangan hardware pada gateway. Pada bagian ini

terdiri dari Arduino Uno + Wemos D1 mini dan LoRa Dragino Shield 915 MHz,

dimana LoRa Dragino Shield 915 MHz digunakan sebagai media komunikasi

dari End – device menuju ke gateway. Wemos D1 mini digunakan untuk

menghubungkan ke jaringan Wifi. Untuk terhubung ke ThingSpeak pada

pemograman Arduino IDE menggunakan API Keys agar terhubung dan

menggunakan protocol HTTP. Kemudian, Wemos D1 mini yang digunakan

sebagai wifi yang menghubungkan ke ThingSpeak.

Gambar 3. 5 Perancangan Pada Gateway

Gambar 3. 6 Rangkaian Perangkat Pada Gateway

27

Tabel 3. 6 Koneksi Wemos D1 Mini ke Arduino Uno

Port Wemos D1 Mini Port Arduino Uno

Rx Tx

Tx Rx

G GND

3.2 Perancangan Sistem

Pada perancangan sistem kualitas udara berbasis komunikasi LoRa ini

meliputi pembuatan sistem flowchart pada end-device dan gateway. Pada

perancangan sistem ini menggunakan software Arduino IDE dimana bahasa

pemogramannya yang digunakan yaitu bahasa C, kemudian format file

keluarannya .ino atau .pde yang hanya bias dijalankan pada software Arduino

IDE.

Pada sistem Arduino Uno digunakan untuk membaca hasil data sensor

yang didapatkan. Pada gambar 3.7 menjelaskan perancangan sistem

keseluruhan yaitu dimali dari pembacaan sensor pada end-device. Selanjutnya,

pada end-device data yang didapat dikirim melalui via LoRa Dragino Shield 915

MHz untuk mengimkannya ke gateway. Kemudian, gateway menerima paket

yang dikirim dari end device melalui via LoRa Dragino Shield 915 MHz dan

dikirim menuju ThingSpeak melalui via Wifi dengan menggunakan Wemos D1

mini. Apabila data sudah tampil di ThingSpeak maka dapat dilihat juga melalui

Thingsview menggunakan smartphone.

Gambar 3. 7 Flowchart Keseluruhan Sistem

28

Pada gambar 3.8 merupakan flowchart sistem end-device yang terdiri dari

Arduino Uno, 3 sensor yaitu Sensor Gas MQ-135, Sensor Gas MQ-7, Sensur

Debu GP2Y1010AU0F dan LoRa Dragino Shield 915 MHz. Dimulai dengan

membaca sensor CO2, CO, dan Partikulat Debu. Kemudian, mempaketkan data

yang diperoleh dari nilai CO2, CO, dan Partikulat Debu dan data yang diperoleh

dipaketkan untuk selanjutnya dikirim melalui via LoRa Dragino Shield 915

MHz .

Gambar 3. 8 Flowchart sistem end-device

Pada gambar 3.9 flowchart sistem gatewa yang tediri dari Arduino Uno

+ Wemos D1 mini dan LoRa Dragino Shield 915 MHz. Dimulai dari gateway

menerima paket dari end – device selanjutnya diteruskan paket dengan

menggunakan modul Wemos D1 mini melalui via UART. Kemudian, Wemos

D1 mini menerima paket dari gateway dan memisahkan paket berdasarkan nilai

data yaitu CO2, CO dan Partikulat Debu. Apabila sudah dipisahkan maka

Wemos D1 mini akan mengirimkan data menuju ke ThingSpeak.

29

Gambar 3. 9 Flowchart Sistem Gateway

3.3 PENGUJIAN HARDWARE DAN SISTEM

Pengujian hardware yang dilakukan untuk mengetahui yaitu dengan

merancang alat yang digunakan untuk mengukur kualitas udara, pengujian

dilakukan untuk membuktikan bahwa alat yang digunakan yaitu Sensor Gas MQ-

135, Sensor Gas MQ-7, Sensor Debu GP2Y1010AU0F menghasilkan hasil yang

akurat. Dimana sensor MQ-135 digunakan untuk mengukur kadar Karbondioksida

(CO2) di udara, MQ-7 digunakan untuk mengukur kadar Karbonmonoksida (CO)

di udara dan Sensor GP2Y1010AU0F yang digunakan untuk mengukur partikulat

debu di udara. Pengujian dilakukan dengan mengecek standar kualitas udara dengan

asumsi yang ada bahwa CO2 minimal 318 ppm dan CO 20 ppm – 200 ppm.

Mengetahui performa pada sistem end-device dan gateway yaitu dengan

pengujian. Pada penelitian yang dilakukan ini dengan menggunakan skenario yang

sama. Pengujian dimulai dengan performa pada hardware dengan pembacaan

sensor yang sudah benar atau belum untuk mendapatkan data yang diinginkan

30

3.4 PENGUKURAN PERANGKAT

Pengukuran perangkat yang dilakukan pada penelitian yaitu dengan

mengukur QoS (Quality of Service) pada komunikasi LoRa Dragino Shield 915

MHz di end-device dan gateway. Pengujian ini dilakukan berdasarkan jarak dan

ukuran paket. Jarak yang diukur 10 m, 100 m, 200 m dan 300 m pada area kampus

IT Telkom Purwokerto dan ukuran paket yang dikirim yaitu 1 byte, 32 byte, 64

byte, 128 byte dan 251 byte. Parameter yang diukur yaitu Throughput, Packet Loss

dan RSSI. Dimana Arduino sebagai mikrokontroler untuk mendapatkan data, yang

dapat dilihat pada gambar 3.10.

Pengujian komunikasi LoRa Dragino Shield 915 MHz dengan menggunakan

1 laptop, pada gateway daya yang digunakan dengan menggunakan Power Bank

dan pada end-device menggunakan laptop. Pengujian ini menggunakan software

Arduino Uno. Dan pengujian ditentukan berdasarkan jarak dan ukuran paket yang

sudah ditentukan. Pengujian dilakukan pada wilayah IT Telkom Purwokerto 10-

300 meter.

Gambar 3. 10 Blok Diagram Pengujian QoS Komunikasi LoRa

3.4.1 Throuhput

Pada pengukuran ini Throughput digunakan untuk mengetahui berapa

besar data yang masuk pada satu waktu, dimana pengukuran Throuhput data

bervariasi ukurannya. Data dikirim melalui end-device yang kemudian

diteruskan menuju ke gateway. Flowchart pengukuran parameter Throughput

dapat dilihat pada gambar 3.11 dimana data akan direkan pada serial monitor.

31

Pada Flowchart menjelaskan data yang dikirim tergantung pada ukuran

paket yang ditentukan, paket yang diukur satu – satu sesuai dengan ketentuan.

Selain itu untuk memudahkan pengukuran dibatasi waktu sebanyak 10 detik

untuk memudahkan dalam proses pengamatan data yang dilakukan. Modul

kordinator ditugaskan sebagai penerima data dan merekan data menggunakan

software serial port monitor.

Gambar 3. 11 Flowchart Pengukuran Parameter Throughput

3.4.2 Packet Loss

Pengukuran Packet Loss dilakukan pertama kali pada modul kordinator.

Pengukuran Packet Loss digunakan untuk mengukur seberapa besar data yang

hilang pada saat transmissi data, serta mengetahui pengaruh collision yang

diakibatkan karena pengiriman ke beberapa node yang sama dengan cara yang

bersamaan. Pada gambar 3.12 merupakan Flowchart pengukuran parameter

Packet Loss. Pengukuran Packet Loss ini end-device melakukan pengiriman

setelah mendapatkan perintah dari modul kordinator dan permintaan awal

diawali dengan “*”. Paket yang dikirim sebanyak 50 paket pada setiap end-

device yang dilakukan pada penelitian ini. Pengukuran dilakukan pada kawasan

IT Telkom Purwokerto.

32

Gambar 3. 12 Flowchart Pengukuran Parameter Packet Loss

3.4.3 RSSI (RECEIVED SIGNAL STRENGTH INDIKATOR)

RRSI merupakan teknologi yang digunakan untuk mengukur indicator

kekuatan sinyal yang diterima oleh perangkat wireless. Pada pengukuran ini

nilai RSSI dapat langsung dilihat pada serial monitor. Nilai RSSI diukur dalam

satuan dBm merupakan nilai negative dimana nilai yang semakin dekat dengan

0 maka semakin baik. Pada penelitian ini dilakukan pengukuran dari end-device

ke gateway.

Gambar 3. 13 Flowchart Pengukuran Parameter RSSI

33

3.5 ANALISIS HASIL PENGUKURAN PERANGKAT

Pada analisis hasil pengukuran perangkat bertujuan untuk mengetahui hasil

yang didapatkan dan menganalisanya.

3.5.1 Analisis Pembacaan Sensor

Prinsip kerja pada sensor ini yaitu dengan menggunakan kalibrasi sensor

dengan asumsi yang ada untuk mengetahui berapa kualitas udara yang

dihasilkan atau terdeteksi oleh Sensor Gas MQ-135, Sensor Gas MQ-7 dan

Sensor Debu GP2Y1010AU0F. Pembacaan sensor dapat dilihat pada serial

monitor yang ada pada Arduino IDE. Dari serial monitor ini dapat dilihat

kualitas udara yang terbaca oleh masing – masing sensor, sekaligus dapat

melihat apakah data yang terbaca tersebut dikirim ke thingspeak atau tidak.

Hasil pembacaan kadar kualitas udara dengan menggunakan sensor MQ-

135, MQ-7 dan sensor debu GP2Y1010AU0F dengan pengukuran kalibrasi

untuk mengetahui kesesuaian masing – masing sensor. Untuk mengetahui

tingkat keakuratan anatara masing – masing sensor dan kalibrasi sensor dengan

melakukan perhitungan. Data yang diperoleh dari pengukuran menggunakan

sistem dapat dibandingkan dengan perhitungan manual sehingga dapat dihitung

presentase error dengan menggunakan rumus berikut :

Error (%) =𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑆𝑒𝑙𝑖𝑠𝑖ℎ 𝑃𝑒𝑟ℎ𝑖𝑡𝑢𝑛𝑔𝑎𝑛

𝐽𝑢𝑚𝑙𝑎ℎ 𝑃𝑒𝑟ℎ𝑖𝑡𝑢𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑀𝑎𝑛𝑢𝑎𝑙 𝑋 100% [24]

a. Kalibrasi Sensor Gas MQ-7 (CO)

Pada gambar 3.14 merupakan pembacaan sensor berdasarkan datasheet

yang digunakan untuk mendapatkan kalibrasi sensor pada Sensor Gas MQ-7

dengan melakukan kalibrasi pada sensor menentukan ketepatan konvensional

nilai penunjukan alat ukur dengan cara membandingkan terhadap standar ukur

gas CO. Kemudian, pada gambar 3.15 merupakan hasil perbandingan yang

didapatkan melalui datasheet dan menggunakan persamaan power pada

ms.excel mendapatkan grafik kolerasi ppm dan RS/RO yaitu y = 103,88x-1,499.

RS merupakan nilai tahanan pada sensor yang berubah – ubah terhadap kadar

udaranya dan RO merupakan tahanan konstanta, diperlukan RO untuk

melakukan pendekatan melalui asumsi menggunakan kadar ppm di udara

34

normal, sedangkan range yang didapatkan MQ-7 adalah 20ppm-2000ppm pada

datasheet.

Gambar 3. 14 Datasheet Sensor Gas MQ-7 [20]

Tabel 3. 7 PPM terhadap RS/RO CO

RS/RO PPM

1,7 50

1 100

0,39 400

0,22 1000

0,09 4000

Gambar 3. 15 Grafik Kolerasi PPM dan RS/RO

35

b. Kalibrasi Sensor Gas MQ-135 (CO2)

Pada gambar 3.16 merupakan pembacaan sensor berdasarkan datasheet

yang digunakan untuk mendapatkan kalibrasi sensor pada Sensor Gas MQ-135

dengan melakukan kalibrasi pada sensor menentukan ketepatan konvensional

nilai penunjukan alat ukur dengan cara membandingkan terhadap standar ukur

gas CO2. Pada gambar 3.17 merupakan hasil perbandingan yang didapatkan

melalui datasheet dan menggunakan persamaan power pada ms.excel

mendapatkan grafik kolerasi ppm dan RS/RO yaitu y = 106,75x-2,711. RS

merupakan nilai tahanan pada sensor yang berubah – ubah terhadap kadar

udaranya dan RO merupakan tahanan konstanta, diperlukan RO untuk

melakukan pendekatan melalui asumsi menggunakan kadar ppm di udara

normal, sedangkan range yang didapatkan MQ-7 adalah 318 ppm pada

datasheet.

Gambar 3. 16 Datasheet Sensor Gas MQ-135 [18]

Tabel 3. 8 PPM terhadap RS/RO CO2

RS/RO PPM

2,4 10

1,8 20

1,5 40

1 100

0,8 200

36

Gambar 3. 17 Grafik Kolerasi PPM dan RS/RO

c. Kalibrasi Sensor Debu GP2Y1010AU0F

Pada gambar 3.18 merupakan pembacaan sensor berdasarkan datasheet

yang digunakan untuk mendapatkan kalibrasi sensor pada Sensor Debu

GP2Y1010AU0F. Pada gambar 3.19 merupakan hasil datasheet dan

mendapatkan persamaan menggunakan grafik dengan kolerasi nilai Dust

Density terhadap tegangan sensor yaitu didapatkan dengan menggunakan

persamaan power pada ms.excel sehingga mendapatkan persamaan y =

80,984x1,5699.

Gambar 3. 18 Datasheet Sensor Debu GP2Y1010AU0F [25]

37

Tabel 3. 9 Dust Density Terhadap Tegangan Sensor

Voltage Dust Density ug/m3

1 80

1,5 160

2 250

2,5 330

3 400

3,5 500

3,7 800

Gambar 3. 19 Grafik Kolerasi Nilai Dust Density Terhadap Tegangan Sensor

3.5.2 Analisis Perhitungan RS dan RO pada sensor

Mencari hasil kalibrasi untuk pembacaan sensor yang dilakukan yaitu

dengan mencari nilai RS dan RO. RS yaitu sebagai tahanan sensor yang berubah

– ubah terhadap tahan kadar udaranya sdangkan RO merupakan tahanan

konstanta, diperlukan RO untuk melakukan pendekatan melalui asumsi

menggunakan kadar ppm di udara normal. Pada Sensor Gas MQ-7

Karbonmonoksida (CO) diasumsikan bahwa kadar di udara yaitu 20ppm-

2000ppm. Dan pada Sensor Gas MQ-135 Karbondioksida (CO2) diasumsikan

bahwa kadar di udara yaitu 318 ppm.

Perhitungan dibawah ini digunaan untuk memperoleh nilai RS (hambatan

sensor) ketika sensor terkontaminasi oleh gas. Vc yaitu tegangan yang masuk

38

ke sensor, RL tahanan beban pada rangkaian dan VRL yaitu tegangan output

rangkaian.

RS =𝑉𝑐−𝑉𝑅𝐿

𝑉𝑅𝐿 𝑥 𝑅𝐿 atau RS = (𝑉𝑐 𝑥

𝑅𝐿

𝑉𝑅𝐿) − 𝑅𝐿 [26]

3.5.3 Analisis Pembacaan Kualitas Udara

Pada pengujian pengukuran kadar kualitas udara dengan kalibrasi sensor

yang telah dilakukan menggunakan asumsi yang ada. Kemudian, pengambilan

data diambil selama diambil selama 6 hari di kawasan IT Telkom Purwokerto

dan waktu pengambilan selama 24 jam dengan jeda waktu 30 menit, akan dilihat

bagaimana kadar udara yang ada di IT Telkom Purwokerto. Misalnya pada pagi

hari kadar udara masih baik dan pada siang hari mulai meningkat kemudian

malam hari kadar udara kembali menurun menjadi baik.

Perubahan kadar udara berdasarkan parameter yang dilakukan akan

muncul berupa grafik pada platform ThingSpeak. Dari grafik akan diketahui

apakah pada hari pertama hingga ke enam terjadi perubahan kadar udara dan

apakah udara pada kawasan IT Telkom masih baik atau berbahaya.

3.5.4 Analisis Pengujian Kualitas Layanan LoRa

Pengujian kualitas layanan yang dilakukan akan mengetahui bagaimana

kualitas pengiriman data dari LoRa menuju ke LoRa. Pengujian yang dilakukan

dengan jarak 10 m, 100 m, 200 m dan 30m kemudian paket yang dikirim terdiri

dari 1 byte, 32 byte, 64 byte, 128 byte dan 251 byte. Parameter yang diuji yaitu

Throughput, Packet Loss dan nilai RSSI. Kemudian hasil nilai yang diambil

sesuai parameter akan dianalisis berdasarkan jarak dan paket yang dikirim.

3.6 PENGUJIAN PARAMETER QOS PADA HTTP

Pada gambar 3.20 merupakan blok diagram pengujian QoS pada HTTP

dimana parameter yang diukur yaitu Delay, Throughput dan Packet Loss. Pada

Pengukuran QoS HTTP mengukur berdasarkan jarak dan jarak yang diukur yaitu 5

m, 10 m, 20 m, 30 m, 40 m, 50 m dan 60 m. Pengujian QoS HTTP menggunakan 1

laptop dimana Laptop tersebut digunakan sebagai Hotspot dimana sudah terinstal

software wireshark sedangkan, daya pada gateway menggunakan Power Bank.

39

Pengujian ini ditentukan berdasarkan jarak yang sudah di tentukan dan pengujian

dilakukan pada wilayah IT Telkom Purwokerto.

Gambar 3. 20 Blok Diagram Pengujian QoS HTTP