6
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Kajian Penelitian Terdahulu
Pada bagian ini akan dijelaskan beberapa penelitian terdahulu yang sebagai
referensi dalam melakukan proses penelitian Rancang Bangun Alat Monitoring
Kualitas Udara pada Kandang Ayam Berbasis WEB Menggunakan Protocol
MQTT.
1.2.1 Perancangan Jaringan Sensor Nirkabel (JSN) Untuk Memantau Suhu
dan Kelembaban Menggunakan nRF24L01+
Penelitian perancangan jaringan sensor nirkabel (JSN) untuk memantau
suhu dan kelembaban menggunakan nRF24L01+ disusun oleh Dwi Intan Af’ida,
yang dimana penelitian ini bertujuan untuk memantau suhu dan kelembaban..
Perancangan perangkat lunak pada sistem ini merupakan perancangan program
yang dibutuhkan oleh mikrokontroller ATMega328 pada sisi node sensor 1 dan
node sensor 2 adalah untuk dapat membaca nilai suhu dan kelembaban dari sensor
DHT11, nilai tersebut kemudian mampu dikirimkan melalui modul nRF24L01+ ke
koordinator. Sedangkan perancangan program yang dibutuhkan oleh
mikrokontroller ATMega328 pada sisi koordinator adalah untuk menerima
informasi nilai suhu dan kelembaban melalui modul nRF24L01+, nilai tersebut
kemudian diproses oleh ethernet untuk dapat ditampilkan di website(Af’idah,
Rochim, & Widianto, 2017).
1.2.2 Monitoring Kadar Gas Berbahaya Pada Kandang Ayam Dengan
Menggunakan Protokol HTTP Dan ESP8266
Pada penelitian disusun oleh Muhamad Nur Arifin membuat sistem
monitoring kadar gas berbahaya pada kandang ayam. Sistem secara umum terdiri
dari 2 buah sensor gas, yaitu sensor MQ 135 untuk mendeteksi amonia, dan sensor
MQ 4 untuk mendeteksi metana, dan terhubung ke jaringan internet melalui modul
ESP8266 dengan mikrokontroler Arduino Uno yang bertujuan untuk mengupload
7
data sensor ke web Thingspeak dan ditampilkan dalam bentuk grafik sebagai sarana
informasi dengan rata-rata didapatkan selisih waktu antara lain 12,72 detik pada
pengujian 1 dan 11,26 detik pada pengujian 2(Nur Arifin, Ichsan, & Rizqika Akbar,
2018).
Dari hasil penelitian terdahulu Penelitian pertama membahas mengenai
perancangan jaringan sensor nirkabel untuk memantau suhu dan kelembaban
menggunakan nRF sebagai modul transmisi dan Penelitian kedua membahas
mengenai monitoring kadar gas berbahaya menggunakan protocol HTTP. Pada
penelitian ini akan menggunakan modul WIFI untuk terhubung ke jaringan internet
yang tidak digunakan pada penelitian terdahulu no 1.2.1, penggunaan protocol
MQTT sebagi penghubung dari node ke server yang tidak digunakan pada
penelitian terdahulu no 1.2.2 dan penggunaan broker mosquito sebagai penghubung
ke protocol MQTT dengan jaringan public.
2.1 Pencemaran Gas
Gas berbahaya yang sering ditemukan dalam kandang antara lain NH₃, H₂S,
CO₂, dan metana. Pada konsentrasi tertentu, gas-gas tersebut dapat
menyebabkan kematian (North and Bell, 1990). NH₃, H₂S dan CO₂ seringkali
menyebabkan masalah bagi kesehatan ternak, peternak, dan lingkungan sekitar.
Beberapa penelitian tentang pengaruh NH3 terhadap ternak unggas telah
dilaporkan, diantaranya dapat menurunkan rata-rata pertumbuhan dapat
mengurangi effisiensi pakan, merusak saluran pernafasan (Cronic Respiratory
Disease) dan meningkatkan aktivitas virus ND (New Castle
Disease)(RACHMAWATI, 2000). Batas konsentrasi tersebut disajikan pada Tabel
2.1
Tabel 2. 1 Batas Aman dan Kematian akibat Gas yang Merugikan di Kandang
Ayam(North and Bell, 1990)
Jenis Gas
Batas Kematian (%)
Batas Aman
(%) (ppm)
Ammonia Diatas 0,05 Dibawah 0,0025 Dibawah 25
Hidrogen Sulfida Diatas 0,05 Dibawah 0,004 Dibawah 40
Carbon dioksida Diatas 30,00 Dibawah 1 Dibawah10.000
Methana Diatas 5 Dibawah 5 Dibawah 50.000
8
2.2 Mikrokontroler
Mikrokontroler merupakan chip cerdas yang menjadi tren dalam
pengendalian dan otomatisasi. Dengan banyak jenis, kapasitas memori, dan
berbagai fitur, mikrokontroler menjadi pilihan dalam aplikasi prosesor mini untuk
pengendalian skala kecil (Tri Utomo, Syahputra, & Iswanto, 2011). Mikrokontroler
yang biasa digunakan untuk merancang dan membangun sistem yaitu menggunakan
mikrokontroler yang tertanam pada development board seperti SAMD21 Cortex-
M0+ 32bit low power ARM MCU pada Arduino MKR1000.
Arduino MKR1000 terdapat modul wifi yang akan digunakan untuk
berkomunikasi dengan server. Untuk itu penggunaan Arduino MKR1000 sangat
cocok dalam sistem ini. Gambar 2.1 menunjukkan Arduino MKR1000 :
.
Gambar 2.1 Arduino MKR1000(Arduino, 2018)
Arduino MKR1000 merupakan sebuah open source platform Internet of
Things dan development kit yang menggunakan bahasa pemrograman C untuk
membantu pengembang dalam membuat prototype produk Internet of Things atau
bisa dengan memakai sketch dengan Arduino IDE. Development Kit ini didasarkan
pada modul Arduino MKR1000, yang mengintegrasikan GPIO (General Purpose
Input Output), PWM (Pulse Width Modulation), IIC , 1-Wire dan ADC (Analog to
Digital Converter) semua dalam satu board. Gambar 2.2 menunjukkan konfigurasi
pin Arduino MKR1000.
9
Gambar 2.2 Konfigurasi Pin Arduino MKR1000(Arduino, 2018)
Berikut adalah penjelasan pin yang terdapat pada Arduino MKR1000:
1. 3 pin Vcc 3,3 Volt, 1 pin Vcc 5 Volt dan 4 Pin Ground;
2. S1 MOSI (Master Output Slave Input) yaitu jalur data dari master dan masuk
ke dalam slave, sc cmd/cs;
3. S0 MISO (Master Input Slave Output) yaitu jalur data keluar dari slave dan
masuk ke dalam master;
4. Sk yang merupakan SCLK dari master ke slave yang berfungsi sebagai clock;
5. 8 pin Digital I/O .
6. 7 pin Analog Input.
7. 256 KB Flash Memory
8. 32 KB SRAM
2.3 Sensor
Sensor merupakan alat digunakan untuk mendeteksi kondisi suatu proses,
yaitu perangkat keras untuk mengubah informasi suatu bentuk energi ke informasi
bentuk energi listrik secara proporsional(Nugroho & Suryopratomo, 2013). Data
yang didapat dari sensor dapat digunakan sebagai informasi masukan terhadap
sebuah sistem. Pada pembahasan penelitian ini akan dijelaskan jenis-jenis sensor
10
yang mendukung dalam kegiatan, antara lain SHT11 yang berfungsi sebagai sensor
suhu dan kelembaban, MQ4 yang berfungsi sebagai sensor gas metana, dan MQ137
sebagai sensor gas amonia.
2.6.1 SHT11
SHT11 merupakan sensor temperatur dan kelembaban, yang sudah
terintegrasi analog to digital converter 14 bit. Dan kontroler masukan keluaran.
Ukurannya yang cukup kecil ( 2x4 mm2) sehingga cukup praktis pada banyak
penerapan(Putranto, L, & Nurdiyanto, 2009).
Setiap SHT1x masing masing terkalibrasi pada ruang kelembaban yang
presisi. Koefisien kalibrasi terprogam kedalam memori OTP pada chip. Koefisien
kalibrasi ini digunakan untuk kalbiasi internal sinyal dari sensor. Antarmuka 2-wire
serial dan pengaturan tegangan internal memungkinkan untuk integrase system
secara cepat dan mudah.
Sensor SHT11 dibuat dari CMOS chip, housing sensor terdiri dari LCP cap
dengan epoxy glob top pada substrat FR4. Perangkat ini sepenuhnya RoHS dan
WEEE compliant sehingga bebas dari Pb, Cd, Hg, Cr(6+), PBB, dan
PBDE(“Sensirion - Digital Humidity Sensor SHT1x (RH/T),” n.d.). Berikut
gambar 2.3 merupakan bentuk fisik dari sensor suhu SHT11. Spesifikasi dari sensor
SHT11 secara sederhana dapat dijelaskan secara sederhana pada Tabel 2.3.
Gambar 2.3 SHT11
11
Tabel 2. 2 Spesifikasi SHT11
Spesifikasi Keterangan
Tegangan Operasi 5 V
Range Suhu -40 – 100ºC dengan toleransi kesalahan ± 0.4ºC
Range Kelembaban 0 – 100% dengan toleransi kesalahan ± 3%
Ukuran 7.47 x 4.93 x 2.5 mm
2.6.2 Sensor Gas MQ4
MQ-4 adalah komponen elektronika untuk mendeteksi kadar gas alam
terkompresi / CNG (compressed natural gas) — utamanya mengandung gas
metana (methane, CH4) yang merupakan bentuk paling sederhana dari
hidrokarbon. Walaupun tidak bersifat racun, gas metana dapat berbahaya karena
mudah terbakar (combustive / flammable gas). Gas ini tidak berbau dan tidak
berwarna, menjadikannya sulit untuk dideteksi secara langsung oleh manusia.
Sensor MQ-4 merupakan sensor yang sangat sensitif terhadap CNG dan
dapat mendeteksi konsentrat gas alam di udara mulai dari 300 ppm hingga 10.000
ppm.
Keluaran sensor ini berupa resistansi analog yang dengan mudah dapat
dikonversi menjadi tegangan dengan menambahkan satu resistor biasa. Dengan
mengkonversi impedansi ini menjadi tegangan, hasil bacaan sensor dapat
dibaca oleh pin ADC (analog to digital converter) pada mikrokontroler.
Gambar 2.4 Sensor MQ4(Electronics, n.d.)
12
PPM (parts per million) umumnya digunakan sebagai ukuran tingkat kecil
polutan di udara, air, cairan tubuh, dan lain-lain. PPM adalah rasio massa
antara komponen polutan dan larutan. Satuan konsentrasi ini yang sering
dipergunakan dalam Kimia Analisa. Satuan ini sering digunakan untuk
menunjukkan kandungan suatu senyawa dalam suatu larutan misalnya
kandungan garam dalam air laut, kandungan polutan dalam sungai, atau
kandungan yang lainnya. Konsentrasi ppm tersebut merupakan perbandingan
antara berapa bagian senyawa dalam satu juta bagian suatu sistem. Berdasarkan
datasheet sensor gas MQ 4 terdiri dari 6 kaki pin yaitu pin input, 2 pin GND dan
sisanya pin VCC.
Gambar 2.5 Sensitifitas Sensor MQ-4(Electronics, n.d.)
Gambar 2.5 menunjukkan karakteristik sensitifitas sensor MQ4, ordinatnya
adalah rasio resistensi dari sensor. Absisnya adalah konsentrasi gas. Ro berarti
ketahanan sensor di 10000ppm. Tabel 2.4 merupakan perbandingan nilai CH4 PPM
terhadapt nilai RS/RO.
13
Tabel 2. 3 Perbandingan Nilai PPM CH4 terhadap nilai RS/RO
PPM RS/RO
200.4297 1.75433
223.976 1.686051
250.9952 1.619255
281.2738 1.554059
315.4896 1.49189
351.6399 1.436266
394.0597 1.379366
444.1438 1.321511
496.5455 1.270527
558.9615 1.21855
623.0452 1.178701
700.0154 1.131063
786.7038 1.080566
877.5634 1.048
997.1958 0.993952
1097.397 0.96759
1210.242 0.928597
1344.763 0.89161
1508.858 0.861578
1665.188 0.832375
1868.674 0.8043
2079.365 0.773677
2100.576 0.805739
2306.802 0.748992
2627.331 0.714198
2952.54 0.685987
3269.738 0.661626
3666.661 0.637344
4111.935 0.613446
4651.641 0.583899
5162.479 0.564786
5715.528 0.539961
6317.874 0.521969
7012.487 0.503787
7808.744 0.478334
8804.443 0.459368
9891.794 0.438567
14
2.6.3 Sensor Gas MQ-137
Sensor MQ 137 adalah piranti yang mengubah besaran fisik menjadi besaran
fisik lain, dalam hal ini adalah perubahan kimia sensor menjadi besaran listrik.
Sensor gas untuk mendeteksi gas Amonia Spesifikasi (Environment, n.d.):
• Catu daya heater : 5V AC/DC
• Catu daya rangkaian : 5VDC
• Range pengkururan Amonia : 10 - 200ppm
• Mampu mendeteksi gas Amonia
• Output : analog (perubahan tegangan) dengan tambahan Rload
Gambar 2.6 Pin Sensor Gas MQ137(Environment, n.d.)
Sensor gas MQ137 memiliki sensitivitas yang tinggi terhadap Amonia, juga amina
organik lainnya. Sensornya bisa jadi Digunakan untuk mendeteksi gas berbeda yang
mengandung Amonia.
15
Gambar 2.7 Sensitifitas Sensor MQ-137(Environment, n.d.)
Gambar 2.7 menunjukkan karakteristik sensitifitas sensor MQ137,
ordinatnya adalah rasio resistensi dari sensor. Absisnya adalah konsentrasi gas. Ro
berarti ketahanan sensor. Tabel 2.5 perbandingan nilai NH3 PPM terhadapt nialai
RS/RO.
Tabel 2. 4 Perbandingan Nilai PPM NH3 terhadap nilai RS/RO
PPM RS/RO
10.02 1.45
19.85 1.2
29.73 1.06
39.72 0.97
49.65 0.92
59.47 0.87
69.23 0.83
79.08 0.79
88.62 0.77
101.22 0.76
16
2.8 Internet of Things
Internet of Things (IoT) merupakan sebuah konsep dimana suatu objek yang
memiliki kemampuan untuk mentransfer data melalui jaringan internet tanpa
memerlukan interaksi manusia ke manusia (Architecture, Wang, Daneshmand, &
Hu, 2013). Dalam jaringan Internet terdapat sebuah aturan atau standar yang
mengatur atau mengijinkan terjadinya hubungan, komunikasi, dan perpindahan
data antara dua atau lebih titik komputer yang disebut dengan Protokol. Protokol
dapat diterapkan pada perangkat keras, perangkat lunak atau kombinasi dari
keduanya. Pada tingkatan yang terendah, protokol mendefinisikan koneksi
perangkat keras. Protocol digunakan untuk menentukan jenis layanan yang akan
dilakukan pada internet. Berikut adalah alternatif protokol yang dapat digunakan.
2.8.1 TCP / IP (Trasnmission Control Protocol / Internet Protocol)
TCP / IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) merupakan
sekelompok protokol yang mengatur komunikasi data pada perangkat di internet.
Karena menggunakan protokol yang sama maka perbedaan jenis perangkat dan
sistem operasi antara dua buah perangkat tidak menjadi masalah. Layer pada
protokol TCP/IP tidak sama dengan model OSI. Model TCP/IP memiliki 4 layer,
yakni Network Access / Interface Layer, Internet Layer, Transport Layer dan
Application Layer (Cisco, n.d.).
1. Network Access / Interface Layer
Pada layer ini merupakan gabungan dari layer fisik dan layer jalur data pada
model OSI. Terdiri dari dasar – dasar protokol jaringan seperti halnya ethernet.
2. Internet Layer
Fungsinya layer jaringan pada model OSI, protokol yang bekerja pada layer ini
di antaranya adalah Internet Protocol (IP).
3. Transport Layer
Layer ini memiliki 2 protokol yaitu TCP (Transmission Control Protocol) dan
UDP (User Datagram Protocol)
17
4. Application Layer
Merupakan gabungan dari layer sesi, presentasi, dan aplikasi pada layer model
OSI. Pada layer ini banyak protokol yang digunakan, di antaranya SMTP (Simple
Mail Transfer Protocol), HTTP (HyperText Transfer Protocol).
2.8.2 MQTT (Message Queuing Telemtry Transport)
Protokol MQTT (Message Queuing Telemtry Transport) merupakan protokol
pesan yang sangat sederhana dan juga ringan. Protokol MQTT menggunakan
arsitektur publish dan subcribe yang dirancang secara terbuka dan mudah untuk
diimplementasikan, mampu menangani ribuan pengguna jarak jauh dengan hanya
menggunakan satu server. MQTT menggunakan bandwidth jaringan yang sedikit,
selain itu juga menggunakan sumber daya perangkat yang sedikit pula. Pada
protokol ini berbasis M2M (Machine to Machine) yang artinya dapat
berkomunikasi antar mesin atau perangkat, bisa dua perangkat atau lebih. Arsitektur
dari protokol MQTT dapat dilihat pada Gambar 2.8.
Gambar 2.8 Protokol MQTT
Protokol MQTT terdiri dari 2 komponen utama, yaitu MQTT Client dan
MQTT Broker. MQTT Client merupakan protokol yang berada pada perangkat,
seperti halnya Arduino. Sedangkan MQTT Broker berfungsi untung menangani
publish dan juga subcribe data.
MQTT memiliki 3 level QoS (Quality of Service). Level – level ini
memberikan garansi konsistensi dari pengiriman pesan. Client dan broker
menyediakan mekanisme penyimpanan data pengiriman kembali dari pesan
18
sehingga meningkatkan konsistensi data akibat kegagalan jaringan ataupun restart.
Ketiga level tersebut antara lain.
1. Level 0
Pesan dikirimkan hanya sekali. Pesan yang terkirim tergantung dari konsistensi
adanya jaringan dan tidak ada usaha untuk mengirimkan pesan kembali.
2. Level 1
Pesan dikirimkan setidaknya satu kali. Jadi klien setidaknya akan menerima
pesan sekali. Jika subscriber tidak mengakui (acknowledge) maka broker akan
mengirimkan pesan sampai publisher menerima status pengakuan pesan dari klien.
3. Level 2
Pesan pasti diterima satu kali, protokol dengan level ini memastikan bahwa
pesan pasti tersampaikan dan tidak terjadi duplikasi pesan yang terkirim (OASIS,
2014).
Pada sistem ini menggunakan protokol MQTT untuk berkomunikasi,
dikarenakan protokol MQTT memiliki kemudahan dalam pengimplementasiannya
dan juga ringan baik dalam pengirimannya maupun konsumsi tegangannya. Selain
itu, protokol MQTT juga sedikit mengonsumsi bandwidth jaringan sehingga dapat
memangkas cost pada pembuatan sistem ini. Dan yang pasti protokol MQTT
memiliki keamanan yang lebih di bandingan protokol TCP/IP.