25

BAB IV

RANCANG BANGUN PERANGKAT KERAS DAN

PERANGKAT LUNAK SISTEM TELEMETRI BERBASIS GSM

4.1 Sistem Perangkat Keras

Sistem telemetri yang dirancang dan dibangun pada tugas akhir ini

memiliki delapan kanal masukan analog yang dirancang untuk menangani suatu

sistem sensor. Sensor yang digunakan pada tugas akhir ini adalah sensor LM35

yang berfungsi untuk mengukur suhu. Kedelapan kanal masukan analog tersebut

dihubungkan langsung ke perangkat sistem dengan masukan sinyal antara 0

sampai 3,3 volt.

Gambar 4.1 merupakan deskripsi secara lengkap dari sistem telemetri yang

dikembangkan pada tugas akhir ini dengan berbagai macam perangkat

pendukung.

Gambar 4.1 Implementasi perangkat keras stasiun ukur dan stasiun kontrol

26

Stasiun kontrol yang digunakan pada tugas akhir ini berupa sebuah

perangkat mobile yang mendukung salah satu platform Java yaitu Java 2 Micro

Edition (J2ME). Salah satu contoh perangkat mobile tersebut adalah Personal

Digital Assistant (PDA). PDA ini berfungsi untuk memberi perintah kepada

stasiun ukur untuk melakukan pengukuran sekaligus menampilkan data hasil

pengukuran.

Stasiun ukur terdiri dari sistem akusisi data, sistem kontrol sekunder,

tampilan LCD, sistem komunikasi serial, dan protokol layanan pesan singkat

(SMS). Di bawah ini akan dijelaskan berbagai sistem yang membangun sebuah

stasiun ukur pada sistem telemetri yang dikembangkan.

4.1.1 Sistem Akusisi Data

Sistem akusisi data yang dirancang seperti pada Gambar 4.2 terdiri sistem

sensor, pengkondisi sinyal, multiplekser, dan ADC. Masukan disediakan dengan

rentang 0 hingga 3,3 volt. Masukan tersebut berupa tegangan analog yang

kemudian akan diubah menjadi tegangan digital oleh ADC sehingga data

pengukuran dapat diolah oleh mikrokontroler dan dikirimkan ke stasiun kontrol.

Gambar 4.2 Sistem akusisi data

27

4.1.1.1 Sistem Sensor

Sistem sensor dalam Gambar 4.3, yang diimplementasikan pada sistem

akusisi data, terdiri dari sensor suhu LM35 dan sebuah LM324 yang merupakan

quad operational amplifier. Sensor LM35 memiliki karakteristik perubahan

tegangan terhadap suhu sebesar 10 mv/oC. Sinyal keluaran dari sensor ini

kemudian dikuatkan oleh salah satu op-amp pada LM324 sebesar empat kali

penguatan sehingga perubahan tegangan terhadap suhu sensor LM35 menjadi 40

mv/oC. Untuk menjaga agar sinyal keluaran tidak mengalami jatuh tegangan maka

sinyal tersebut dilewatkan pada buffer (penyangga) yang berupa sebuah op-amp

dengan konfigurasi penguatan sebesar satu kali.

Gambar 4.3 Sistem sensor

Keluaran dari sensor diperkuat empat kali oleh op-am sesuai dengan

persamaan di bawah ini:

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ +==

211

RR

ViVoAv ....................................(4.1)

dengan Av adalah penguatan, R1 = 30 kΩ dan R2 = 10 kΩ .

28

4.1.1.2 Multiplekser

Untuk menentukan kanal pengukuran mana yang aktif, maka digunakan

digunakan multiplekser analog 8 kanal. Multiplekser yang digunakan dalam

perancangan sistem telemetri ini adalah multiplekser CD4051 seperti tampak pada

Gambar 4.4.

Gambar 4.4 Skematik multiplekser CD4051

Tabel 4.1 Logika kebenaran multiplekser analog CD4051

Kontrol Masukan

Inhibit C B A Kanal Aktif

L L L L X0

L L L H X1

L L H L X2

L L H H X3

L H L L X4

L H L H X5

L H H L X6

L H H H X7

H X X X Tidak Ada

Input 1 Input 2 Input 3 Input 4 Input 5 Input 6 Input 7 Input 8

A B C

MultiplekserCD4051

Output X

INTR Inhibit

X0X1X2X3X4X5X6X7

29

Delapan kanal masukan pada multiplekser CD4051 dihubungkan dengan

delapan masukan analog dengan pemilihan kanal yang aktif dilakukan oleh kaki

A, B, dan C, yang masing-masing terhubung ke kaki P1.0, P1.1, dan P1.2 pada

mikrokontroler AT89S52. Aktif tidaknya multiplekser ini ditentukan oleh kaki

inhibit. Konfigurasi untuk kaki inhibit pada perancangan sistem telemetri ini

diletakkan pada tegangan 0 volt (ground) sehingga pada keadaan awal

multiplekser ini selalu aktif.

4.1.1.3 Analog to Digital Converter (ADC)

Untuk menangani berbagai macam masukan analog termasuk masukan

dari sensor temperatur, maka digunakan divais untuk mengkonversi data analog

menjadi data digital. Hal ini dilakukan karena mikrokontroler yang berfungsi

sebagai pengontrol sekunder merupakan divais digital yang hanya menangani

masukan digital. Pada sistem telemetri yang dikembangkan, ADC yang digunakan

merupakan ADC serial 12-bit yang menggunakan komunikasi Serial Peripheral

Interface (SPI) yaitu ADS7822 (Gambar 4.5).

GND4 OUT 6

CS/SD 5

DCLK 7

IN-3 IN+2

VREF1 V+ 8U7

ADS7822P

C110.1uF

C1310uF

DCLKOUTCSD

Gambar 4.5 Skematik ADS7822

30

Data hasil konversi ADC tersebut dikirimkan secara serial ke

mikrokontroler melalui kaki P1.4. Data tersebut kemudian akan diproses sesuai

dengan kebutuhan pengguna. Aktif tidaknya ADC ini ditentukan oleh pin Chip

Select Device (CSD) yang terhubung pada kaki P3.5 mikrokontroler.

4.1.2 Sistem Kontrol Sekunder

Sistem kontrol sekunder merupakan perangkat yang dibutuhkan untuk

melakukan pengontrolan terhadap stasiun ukur berdasarkan perintah dari stasiun

kontrol. Pada sistem telemetri ini, sistem kontrol sekunder yang ada pada stasiun

ukur menggunakan mikrokontroler AT89S52.

Gambar 4.6 Gambar mikrokontroler AT89S52

Mikrokontroler AT89S52 memiliki 32 pin yang multifungsi antara lain

sebagai I/O, Jalur kontrol atau bagian dari sistem pengalamatan atau bus data.

Beberapa keistimewaan dari mikrokontroler ini di antaranya:

31

• Kompatibel dengan mikrokontroler keluarga MCS-51

• 8K Byte of In-System Reprogrammable Downloadable Flash Memory

• Antar muka serial SPI untuk mendownload program

• Ketahanan: 1000 kali Baca / Tulis

• Tegangan operasi 4,0V s.d. 5,5 V

• Beroperasi pada 0 Hz s.d. 33 MHz

• Tiga level penguncian memori program

• 256 x 8-bit RAM Internal

• 32 bit I/O yang dapat diprogram

• Tiga buah Timer/Counter 16-bit

• Delapan sumber interupsi

• UART full dupleks

• Mode hemat daya Idle and Power Down

• Watchdog Timeryang dapat diprogram

• Dua Data Pointer

• Flag Power Off

Mikrokontroler ini terhubung dengan sistem akusisi yang terdiri dari

masukan analog, pengkondisi sinyal, ADC, dan multiplekser. Selain terhubung

dengan sistem akusisi data, mikrokontroler ini juga terhubung dengan sistem

komunikasi serial yang digunakan untuk mengirimkan data ke transceiver yang

berupa handphone atau Mobile Station (MS). Data yang ada pada transceiver

tersebut selanjutnya akan transmisikan melalui protokol SMS pada jaringan GSM

32

ke stasiun kontrol. Sebelum dikirimkan, data pengukuran ditampilkan terlebih

dahulu pada LCD. Gambar 4.7 di bawah ini menunjukkan sistem kontrol

sekunder.

Gambar 4.7 Antar muka sistem kontrol sekunder

Pada gambar di atas, mikrokontroler diantarmukakan dengan sistem

akusisi data melalui komunikasi paralel. Pada sistem akusisi data ini

mikrokontroler berfungsi untuk mengatur pemilihan masukan analog melalui kaki

A, B, dan C pada multiplekser yang dihubungkan dengan kaki P1.0, P1.1, dan

P1.2 pada mikrokontroler. Selain mengatur pemilihan masukan analog pada

multiplekser, mikrokontroler ini juga berfungsi untuk mengatur proses konversi

data analog menjadi data digital pada ADS7822.

Pada sistem telemetri yang dikembangkan pada tugas akhir ini digunakan

sistem pewaktuan internal dengan menggunakan Timer yang terdapat pada

register TCON (Timer Control Register, memori data internal alamat 88h, bisa

dialamati perbit) dan register TMOD (Timer Mode Register, memori data internal

33

alamat 89 h, tidak bisa dialamati perbit). Timer ini digunakan untuk menentukan

interval pengukuran pada stasiun ukur.

4.1.3 Tampilan LCD

Untuk menampilkan data hasil pengukuran di stasiun ukur digunakan

tampilan LCD seperti tampak pada Gambar 4.8. Tampilan LCD juga memberikan

informasi kepada pengguna mengenai proses pengukuran yang sedang

berlangsung. Setelah stasiun kontrol mengirimkan perintah ke stasiun ukur, maka

pada LCD akan ditampilkan sensor mana yang sedang melakukan pengukuran dan

besarnya suhu yang terukur. LCD yang digunakan pada tugas akhir ini merupakan

LCD 16x2 yang dapat menampilkan 32 karakter dalam 2 baris.

Gambar 4.8 Tampilan LCD 16x2

LCD tersebut memiliki 16 buah pin untuk mengatur konfigurasi yang

terdiri dari 2 buah pin power supply, 8 buah pin I/O sebagai jalur data antara

mikrokontroler dengan LCD, 3 buah pin sebagai pengatur konfigurasi yang

dihubungkan ke mikrokontroler, 1 buah pin untuk mengatur kekontrasan layar

LCD, dan dua buah pin untuk mengatur blinking. Tabel 4.2 menunjukkan nama-

nama pin pada LCD beserta fungsinya.

34

Tabel 4.2 Nama dan fungsi pin pada LCD 16x2

Dalam melakukan penulisan dan pembacaan karakter pada LCD perlu

diperhatikan diagram waktu (timing diagram) operasi pembacaan dan penulisan

LCD. Diagram waktu tersebut berfungsi sebagai sinkronisasi antara

mikrokontroler dengan LCD. Diagram waktu operasi pembacaan dan penulisan

LCD ditunjukkan pada Gambar 4.9 di bawah ini.

Gambar 4.9 Digram waktu operasi penulisan dan pembacaan LCD

35

Tabel 4.3 Diagram waktu aplikasi LCD

Untuk menjalankan fungsi LCD, maka terlebih dahulu harus dilakukan

Inisialisasi. Inisialisasi dilakukan untuk mengatur konfigurasi dan aplikasi LCD

yang digunakan. Tabel 4.4 di bawah ini menunjukkan inisialisasi dan penulisan

aplikasi pada LCD.

Tabel 4.4 Inisialisasi dan penulisan aplikasi pada LCD

36

Gambar 4.10 adalah rangkaian LCD yang diaplikasikan pada tugas akhir

ini.

Gambar 4.10 Implementasi LCD 16x2 pada sistem telemetri GSM

4.1.4 Komunikasi Serial

Mikrokontroler AT89S52 mempunyai 4 macam mode operasi (mode 0 –

mode 3) untuk serial komunikasi. Untuk memilih mode disediakan register bit

SM0 dan SM1. Mode 0 adalah tipe register geser. Mode 1 merupakan 8 bit data

UART dengan baudrate yang dapat diatur dengan register timer. Mode 2 yaitu 9

bit data UART dengan baudrate yang sudah pasti besarnya. Mode 3 adalah 9 bit

data UART yang baudratenya dapat diatur dengan timer. Untuk melakukan

pengaturan pada komunikasi serial digunakan register SCON (Serial Control

Register).

37

Tabel 4.5 Register SCON pada mikrokontroler AT89S52

BIT Simbol Deskripsi SCON.7 SM0 Pilihan Mode SCON.6 SM1 Pilihan Mode SCON.5 SM2 Untuk komunikasi multiprosessor dalam mode 2 dan 3 SCON.4 REN mengaktifkan mikrokontroler untuk menerima data SCON.3 TB8 jika 1 maka bit ke 9 dari mode 2 dan 3 telah dikirim SCON.2 RB8 jika 1 maka bit ke 9 dari mode 2 dan 3 telah diterima SCON.1 TI jika 1 berarti mikrokontroler telah selesai mengirim satu data SCON.0 RI jika 1 berarti ada satu data telah diterima

Mode komunikasi serial yang digunakan pada tugas akhir ini adalah mode

1 yang merupakan mode 8 bit data UART dengan baudrate yang dapat diatur

dengan register timer. Pengaturan baudrate menggunakan register timer sehingga

bergantung dari frekuensi kristal yang dipakai. Frekuensi kristal 12 MHz dalam

hal ini lebih buruk dari kristal 11,059 MHz. Mode operasi timer untuk baudrate

digunakan mode 2 karena secara otomatis mengulang terus pencacahan waktu.

Register bendera timer, TF (Timer Flag), adalah penentu sebenarnya dari

baudrate tersebut.

Baudrate = waktu register bendera Timer 1 berubah : 32 (atau 16 bergantung

SMOD)

Tabel 4.6 Pengaturan baudrate pada mikrokontroler AT89S52

BAUD RATE FREKUENSI XTAL (MHz) SMOD TH1 ERROR 9600 12 1 F9H 7% 2400 12 0 F3H 0.16% 1200 12 0 E6H 0.16%

19200 11.059 1 FDH 0 9600 11.059 0 FDH 0 2400 11.059 0 F4H 0 1200 11.059 0 E8H 0

38

Mikrokontroler sebagai sistem kontrol sekunder terhubung dengan sistem

komunikasi serial yang digunakan untuk mengirimkan data ke transceiver yang

berupa handphone atau Mobile Station (MS). Gambar 4.11 di bawah ini

menunjukkan rangkaian dari komunikasi serial yang menggunakan RS232.

Rangkaian ini menggunakan IC MAX232 yang berfungsi untuk menyamakan

level tegangan antara mikrokontroler dengan transceiver atau komputer.

Gambar 4.11 Komunikasi serial RS232

4.1.5 Transceiver

Transceiver pada stasiun ukur berfungsi sebagai transmitter (pemancar)

dan receiver (penerima). Pemancar mengirimkan data pengukuran yang

terenkapsulasi oleh protokol SMS ke stasiun kontrol. Pada saat stasiun kontrol

mengirimkan perintah untuk melakukan pengukuran, maka transceiver pada

stasiun ukur berfungsi sebagai penerima. Transceiver yang diimplementasikan

pada tugas akhir ini adalah sebuah telepon seluler Siemens seri C55.

Beberapa jenis telepon selular dapat berkomunikasi dengan peralatan

lainnya melalui port yang tersedia pada telepon selular tersebut. Telepon selular

39

yang digunakan sebagai transceiver pada tugas akhir ini memiliki port serial

sebagai jalur komunikasi stasiun ukur. Media penghubung antara stasiun ukur

dengan transceiver tersebut adalah RS-232. Melalui komunikasi RS-232 ini,

stasiun ukur dapat mengirimkan data dan perintah pada telepon selular. Fasilitas

ini memungkinkan kita untuk mengirimkan data pengukuran melalui telepon

selular.

4.1.6 Stasiun Kontrol

Stasiun kontrol berfungsi untuk memberi perintah kepada stasiun ukur

untuk melakukan pengukuran sekaligus menampilkan data hasil pengukuran.

Stasiun kontrol yang digunakan pada tugas akhir ini berupa sebuah perangkat

mobile yang mendukung salah satu platform Java yaitu Java 2 Micro Edition

(J2ME). Salah satu contoh perangkat mobile tersebut adalah Personal Digital

Assistant (PDA).

40

(a)

(b)

41

(c)

Gambar 4.12 GSM Telemetry System versi 2.0:

(a) Tampak Depan, (b) Tampak Belakang, (c) Tampak Dalam

42

4.2 Perangkat Lunak pada Stasiun Ukur dan Stasiun Kontrol

4.2.1 Perangkat Lunak Stasiun Ukur

Perangkat lunak di stasiun ukur yang dirancang dan diimplementasikan

terdiri dari sebuah program utama dan dua buah program yang berfungsi sebagai

interupsi Timer. Dalam program utama terdapat berberapa subrutin. Subrutin

tersebut adalah pengecekan perintah yang berasal dari SMS datang. PDU yang

dikirimkan tranceiver ke mikrokontroler di simpan dalam array InputSerial[i].

Data dari array tersebut digunakan untuk menentukan sensor atau kanal mana

yang aktif. Setelah itu dilakukan konversi hasil ADC ke suhu dalam desimal dan

ditampilkan pada LCD. Subrutin berikutnya adalah konversi data dari 8 bit ke

tujuh 7 bit. Data 7 bit digabungkan dengan protokol data pengukuran. Pada

akhirnya, protokol data pengukuran tersebut dienkapsulasi dengan protokol SMS

dan dikirimkan ke stasiun kontrol.

Program interupsi diimplementasikan untuk melakukan interupsi secara

periodik dengan interval pengukuran ditentukan dalam inisialisasi interupsi Timer

0 dan Timer 1. Kedua interupsi ini terjadi ketika timer flag (TF) mengalami

overflow. Interupsi Timer 0 digunakan untuk mengecek perintah pengukuran yang

dienkapsulasi dengan protokol SMS yang datang pada transceiver stasiun ukur.

Interupsi Timer 1 digunakan untuk menentukan interval pengukuran pada stasiun

ukur. Pada tugas akhir ini, pengukuran suhu dilakukan setiap 30 detik sekali.

Gambar 4.13 di bawah ini memperlihatkan implementasi perangkat lunak pada

stasiun ukur.

43

Mulai

Tampilan awal LCD

Int_T0_Flag = 1

SBUF != ‘OK’

Cek perintah SMS

InputSerial[i] = PDU datang

Inisialisasi SerialInisialisasi Interupsi Timer 0Inisialisasi Interupsi Timer 1

Inisialisasi LCDInt_T0_Flag = 0, PT0 = 1

Konversi Hasil ADCke suhu (desimal)

Tampilkan di LCD

Pilih Channel(MUX)

A

A

Ambil Data SuhuTemperatur[20] = HasilADC()*0.02015;

Konversi Data 8 bit ke 7 bit

Enkapsulasi Protokol DataPengukuran dengan

Protokol SMS

Set Perintah Kirim SMSAT+CMGS = n

<enter> + PDU data

Selesai

Penggabungan ProtokolData Pengukuran

(a)

44

Mulai

Int_T0_Flag = 1Static int data = 0

Data ++

Data =10000

Data = 0

Selesai

Mulai

Static long int waktu = 0Static int cacah = 0

Waktu ++

Waktu =300000

Waktu = 0

Selesai

Cacah = 20

Temperatur[cacah++] =HasilADC()*0.02015;

Cacah = 0

(b)

Gambar 4.13 Implementasi perangkat lunak pada stasiun ukur: (a) Program Utama,

(b) Program interupsi Timer 0 (kiri) dan Timer 1 (kanan)

4.2.2 Protokol Layanan Pesan Singkat dan Protokol Data Pengukuran

Data hasil pengukuran yang diperoleh dikirimkan beserta protokol

pengukuran menuju stasiun kontrol melalui data layanan pesan singkat. Untuk

dapat mengirimkan data pengukuran dalam format SMS, maka data pengukuran

45

harus dienkapsulasi dengan protokol SMS seperti terlihat pada Gambar 4.14 dan

Gambar 4.15 di bawah ini. Susunan protokol data pengukuran ditempatkan pada

elemen User Data (UD) pada protokol SMS tersebut.

TP-MTI TP-RD ……. TP-VP TP-UDTP-UDL

Gambar 4.14 Protokol layanan pesan singkat (SMS)[2]

PenandaAwal (1byte)

ID Sensor(1 byte) Data Pengukuran Penanda

Akhir (1 byte)

Gambar 4.15 Susunan protokol data pengukuran pada paket SMS

4.2.3 Perangkat Lunak pada Stasiun Kontrol

Implementasi perangkat lunak pada stasiun kontrol terbagi menjadi dua

bagian, yaitu pengiriman perintah ke stasiun ukur untuk mengaktifkan salah satu

sensor dan dekapsulasi data telemetri dari protokol SMS untuk mendapatkan data

pengukuran.

4.2.3.1 Pengiriman Perintah ke Stasiun Ukur

Untuk mengirimkan perintah ke stasiun ukur, terlebih dahulu harus

didefiniskan yang MIDlet sebagai perluasan dari implementasi CommandListener

dan harus diset runable. Pada StarApp() dibuat suatu list yang terdiri 8 kanal

sensor. List tersebut berjenis Exclusive List agar kita hanya dapat memilih satu

buah sensor yang aktif.

46

Pada fungsi runable dilakukan inisialisasi Message Connection dan

dimasukkan nomor tujuan pengiriman SMS.

47

Pada akhirnya dilakukan terminasi dengan metode:

4.2.3.2 Penerimaan Data Pengukuran oleh Stasiun Kontrol

Implementasi penerimaan data pengukuran melibatkan salah satu paket

opsional pada J2ME yaitu WMA (Wireless Messaging API). WMA terdiri dari

paket-paket pengembangan aplikasi untuk melakukan pengiriman dan penerimaan

pesan. WMA ini dikembangkan oleh Java Specification Request (JSR) 120.

Kelas-kelas dalam paket ini tersimpan dalam paket javax.

wireless.messaging.

Connector

MessageConnection

TextMessage BinaryMessageMessageListener

Message

Gambar 4.16 Interface pada paket WMA[3]

Untuk menerima data pengukuran dari stasiun ukur, terlebih dahulu harus

didefiniskan yang MIDlet sebagai perluasan dari implementasi CommandListener,

Runable, MessageListenere. Pada StarApp() dilakukan pengaturan alamat koneksi

48

untuk penerimaan data. Alamat koneksi ini berkaitan dengan port SMS yang diset

pada transceiver stasiun ukur. Dengan kata lain, port SMS yang ada pada

transceiver stasiun ukur harus sama dengan port SMS yang diset pada MIDlet.

Pada perangkat lunak yang dirancang dan diimplementasikan dalam

stasiun kontrol, nilai port SMS yang diset adalah 16001. Nilai port tersebut

merupakan port SMS yang diimplementasikan pada transceiver stasiun ukur.