bab 2 landasan teori - Universitas Sumatera Utara

6
BAB 2
LANDASAN TEORI
Bab ini membahas teori dan penelitian sebelumnya tentang sistem Real-time yang
telah diterapkan untuk penelitian kualitas air.
2.1. Pencemaran Air
Air adalah senyawa kimia yang merupakan unsur yang sangat penting untuk makhluk
hidup di bumi. Fungsi air bagi kelangsungan hidup tidak dapat digantikan dengan
senyawa lain. Tetapi diperkirakan 98% air di bumi adalah air yang tidak memenuhi
syarat untuk diminum karena tingkat kadar garam yang sangat tinggi. Sekitar 2% air
yang ada di bumi merupakan air bersih yang bisa diminum, 1.6% terdapat pada
pegunungan es. Sementara 0.36 % lainnya ditemukan di bawah tanah. (Kumar dan
Lee, 2012)
Pencemaran air merupakan sebuah situasi dimana kualitas air di suatu tempat
mengalami penurunan dikarenakan oleh faktor-faktor dari luar. Danau, sungai, lautan
dan air tanah adalah bagian penting dalam siklus kehidupan manusia dan merupakan
salah satu bagian dari siklus hidrologi. Selain mengalirkan air juga mengalirkan
sedimen dan polutan. Berbagai macam fungsinya sangat membantu kehidupan
manusia. Pemanfaatan terbesar danau, sungai, lautan dan air tanah adalah untuk irigasi
pertanian, bahan baku air minum, sebagai saluran pembuangan air hujan dan air
limbah, bahkan sebenarnya berpotensi sebagai objek wisata.
Faktor-faktor dari luar yang menyebabkan pencemaran air diantaranya adalah
aktivitas manusia yang menghasilkan limbah rumah tangga, kasus-kasus lain yang
dapat menyebabkan pencemaran air di antaranya adalah.

Meningkatnya kandungan nutrien dapat mengarah pada eutrofikasi.
Universitas Sumatera Utara
7

Sampah organik seperti air comberan menyebabkan peningkatan kebutuhan
oksigen pada air yang menerimanya yang mengarah pada berkurangnya oksigen
yang dapat berdampak parah terhadap seluruh ekosistem.

Industri membuang berbagai macam polutan ke dalam air limbahnya
seperti logam berat, toksin organik, minyak, nutrien dan padatan. Air limbah
tersebut memiliki efek termal, terutama yang dikeluarkan oleh pembangkit listrik,
yang dapat juga mengurangi oksigen dalam air.

Seperti limbah pabrik yg mengalir ke sungai seperti di Sungai Citarum

Pencemaran air oleh sampah

Penggunaan bahan peledak untuk menangkap ikan
Salah satu kekayaan alam Sumatera Utara yang paling luar biasa adalah Danau
Toba. Danau Toba merupakan danau volkano tektonik. Letusan gunung Toba terjadi
sekitar 75.000 tahun lalu mengakibatkan terjadinya luncuran magma sebanyak 2.800
Km3, sehingga perut bumi menjadi kosong. Danau ini terletak pada garis lintang dan
garis bujur antara 98®30′ BT; 3®05′ LS dan 99®20 BT’; 2®40′ LS. Luas permukaan
air danau adalah 1.130 Km2, daerah tangkapan air 3.698 Km2, kedalaman 505 m,
panjang 110 km dan lebar 30 km. Volume air Danau Toba diperkirakan 1,18 triliyun
meter kubik.
Pada masa sekarang, terdapat banyak kegiatan yang dapat menimbulkan
gangguan berupa pencemaran atau kerusakan terhadap lingkungan terutama
pencemaran air di daerah Danau Toba. Semakin meningkatnya popularitas pariwisata
dan banyaknya kegiatan penduduk yang menggunakan sumber air Danau Toba,
kualitas air di beberapa daerah semakin berkurang dikarenakan pencemaran. Tingkat
pencemaran air di lingkungan dapat dilihat dari beberapa parameter pengukuran
seperti suhu, tingkat keasaman (Ph) air, tingkat kecerahan dan kadar larutan yang
terdapat pada air.
Universitas Sumatera Utara
8
2.2. Sensor Air
Untuk sensor dalam air, digunakan beberapa sensor diantaranya DS18S20 untuk
mengukur suhu air, Analog pH Meter Pro untuk mengukur pH air, Dissolved Oxygen
Sensor Kit untuk mengukur DO air, dht11 untuk mengukur suhu dan kelembaban
udara, ORP meter untuk mengukur kadar ORP air.
2.2.1. DS18S20 Probe
Sensor DS18S20, sebuah sensor kedap air yang dapat diprogram tingkat resolusinya,
diproduksi oleh DALLAS Company. Sensor digunakan untuk melakukan pengukuran
terhadap suhu di dalam air karena sifatnya yang kedap air. Dengan menggunakan
tegangan antara 3.0v-5.0v, dapat melakukan pengukuran pada rentang suhu -55°C to
+125°C dalam renggang waktu 60 detik per pembacaan(Dallas, 2014).
Gambar 2.1. Diagram Blok Sensor DS18S20 (Dallas, 2014).
ROM 64-bit, seperti yang terlihat pada gambar 2.1, menyimpan kode serial unik
perangkat. Memori lapisan alas berisi 2-byte register suhu yang menyimpan keluaran
digital dari sensor suhu. Selain itu, lapisan alas menyediakan akses ke 1-byte atas dan
bawah dari alarm register pemicu (TH dan TL) dan 1-byte register konfigurasi.
Konfigurasi daftar memungkinkan pengguna untuk mengatur resolusi dari
suhu ke digital konversi ke 9, 10, 11, atau 12 bit. TH, TL, dan konfigurasi register
Universitas Sumatera Utara
9
adalah nonvolatile (EEPROM), sehingga mereka akan menyimpan data saat perangkat
dimatikan.
Sensor DS18S20 menggunakan sebuah kabel protokol bus eksklusif maxim
yang menerapkan komunikasi bus menggunakan satu sinyal kontrol. Garis kontrol
memerlukan resistor pull up lemah karena semua perangkat yang terhubung ke bus
melalui 3 bagian atau open-drain port (pin DQ pada sensor DS18S20).
Dalam sistem bus ini, mikroprosesor (perangkat master) mengidentifikasi dan
mengalamatkan perangkat pada bus menggunakan kode unik 64-bit dari masingmasing perangkat. Karena masing-masing perangkat memiliki kode unik, jumlah
perangkat yang dapat diatasi pada satu DS18S20 bus hampir tak terbatas. Sebuah
kabel protokol bus, termasuk penjelasan rinci tentang perintah dan slot waktu, tertutup
di bagian kabel sistem bus. Untuk secara lebih jelas, bentuk dari sensor DS18S20
dapat dilihat pada gambar 2.2.
Gambar 2.2. Bentuk Sensor DS18S20 (Dallas, 2014).
Beberapa penelitian untuk melakukan pengukuran suhu air telah dilakukan
dengan menggunakan sensor ini, Huang Hui dan Yin Xinghui pada tahun 2009
melakukan penelitian terhadap penggunakan sensor tersebut, yang dapat melakukan
pengukuran dengan perubahan minimal 0.0625 ℃ (Hui, 2009).
Sensor DS18S20 pernah digunakan sebagai validator terhadap pembacaan
suhu oleh sensor analog pada satelit LAPAN-A2. (Tahir, 2014) Pada penelitian
tersebut sensor DS18S20 membandingkan pembacaan sensor analog LM 335.
Universitas Sumatera Utara
10
Sebanyak empat buah sensor digunakan dalam penelitian tersebut. Dua buah sensor di
letakkan di luar dan dua buah sensor di letakkan pada bagian dalam, selain itu
dilakukan pembacaan pada rentang suhu yang berbeda yakni pembacaan pada rentang
suhu 60 °C sampai dengan -20 °C dan sebaliknya selama lima sampai enam detik.
Dari hasil penelitian tersebut dapat disimpulkan bahwa untuk temperatur dari -20ºC
sampai 30ᵒC, penunjukan data sensor suhu analog yang ada pada modul APRS masih
dianggap valid karena perbedaannya dengan sensor suhu DS18S20 yang dipakai
sebagai kalibrator cuma sedikit yaitu sekitar ± 1 °C, sedangkan untuk temperatur 30
°C sampai 60 °C sensor suhu analog sudah dianggap tidak valid karena perbedaannya
sudah terlampau jauh dengan sensor suhu DS18S20.
2.2.2. Analog pH Meter Pro
Analog pH Meter Pro merupakan sebuah kit dalam melakukan pengukuran tingkat
keasaman dalam air, berdasarkan datasheet (D-Robotics, 2010). Yang dikeluarkan
oleh manufakturnya, dimana memiliki kemampuan pengukuran pH dari 0-14pH.
Dimana dapat melakukan pengukuran dalam suhu 0-60 ℃, dimana tingkat keakuratan
± 0.1pH pada pengukuran pada suhu 25 ℃.
Tabel 2.1. Hasil Pengukuran pH dalam milivolt.
Pada tabel 2.1, dapat dilihat tegangan yang dihasilkan dalam pembacacaan oleh
Analog pH meter pro. Angka yang dihasilkan oleh sensor ini merupakan tegangan
listrik yang perlu dilakukan untuk mendapatkan pembacaan digital. Secara umum,
Universitas Sumatera Utara
11
informasi gambar 2.1 yang bersumber dari datasheet sensor tersebut dapat digunakan
sebagai tolok ukur dalam menghasilkan pembacaan tingkat keasaman dalam air.
Sensor ini sendiri memiliki tiga buah pin, yaitu pin BND, pin VCC dan pin
interface. Untuk melakukan penghubungan antara arduino dengan sensor pH Meter
pro, dapat melihat pada gambar 2.3.
Gambar 2.3. Skema Pengkabelan pH Meter (D-Robotics, 2010).
Sensor tersebut menggunakan tegangan 5V yang didapatkan dari power supply
arduino, dan menghasilkan output melalui pin analog. Karena termasuk dalam
katagori sensor analog, maka diperlukan kalibrasi manual untuk menghasilkan
pembacaan yang akurat. Berdasarkan datasheet dari sensor tersebut, kalibrasi yang
diperlukan cukup dengan mencelupkan sensor tersebut kedalam sebuah larutan
penyangga (Buffer Solution) standar yang sebisa mungkin memiliki pH dalam rentang
5-7 pH.
2.2.3. Dissolved Oxygen Sensor Kit
Dissolved Oxygen Sensor Kit merupakan sebuah kit yang terdiri dari sebuah circuit
dan sebuah probe sensor. Sirkuit DO dapat melakukan pembacaan pada tingkat 0.01
to +35.99 mg/L dengan tingkat keakuratan hingga satu satuan angka. Dalam
melakukan pembacaan sirkuit tersebut dapat bekerja pada tegangan 3.3V hingga 5V.
Universitas Sumatera Utara
12
Gambar 2.4. DO Circuit
Berdasarkan gambar 2.4., dapat dilihat sirkuit DO memiliki enam buah pin, yakni :
1. Pin VCC
Pin merupakan pin yang menghasilkan tegangan antara 3.3V hingga 5V.
2. Pin PRB
Pin PRB merupakan pin yang menjadi jalur keluaran dari probe/sensor.
3. Pin PGND
Pin PGND merupakan pin ground untuk probe/sensor.
4. Pin Tx
5. Pin Rx
6. Pin GND
Pin GND merupakan pin ground bagi sirkuit sendiri.
Gambar 2.5. DO Probe
Universitas Sumatera Utara
13
Sedangkan Probe Sensor sendiri berbentuk batangan yang dihubungkan
dengan sebuah kabel, seperti yang terlihat pada gambar 2.5. DO Probe sendiri berkerja
dengan menghasilkan tegangan listrik kecil sebesar 0.1 mV hingga 47 mV (Atlas
Scientific, 2016).
2.2.4. Dht11 Air Temperature and Humidity Sensor
Sensor dht11 merupakan sensor untuk mengukur temperatur dan kelembaban udara,
sensor ini diproduksi oleh perusahaan DFRobot. Sensor ini menggunakan power
supply 3.3v-5v DC, dan komunikasi dilakukan dengan metode Single-Wire (DRobotics, 2010). Sensor dht11 dapat dilihat pada gambar 2.6.
Gambar 2.6. Sensor dht11(D-Robotics, 2010).
Universitas Sumatera Utara
14
2.2.5. ORP meter DFrobot
Sensor ORP meter ini digunakan untuk mengukur tingkat kemampuan air untuk
mengoksidasi zat terlarut sensor ini diproduksi oleh DFRobot. Sensor ini merupakan
sensor analog, dan menggunakan power supply 3.3v-5v DC, komunikasi dilakukan
dengan menggunakan BNC connector yang sudah diberikan ketika membeli sensor
(DFrobot , 2010). sensor ORP dapat dilihat pada gambar 2.7.
Gambar 2.7. Sensor ORP (DFrobot , 2010)
Universitas Sumatera Utara
15
2.3. Arduino Uno
Gambar 2.8. Arduino Uno
Arduino Uno adalah sebuah papan microcontroller berbasis ATmega328P,
yang mempunyai 14 pin i/o digital dan 6 pin i/o analog. Alat ini mempunyai semua
fitur
yang
diperlukan
untuk
menjalankan
microcontroller.
Hanya
dengan
mengkoneksikannya menggunakan kabel USB ke komputer, pengguna dapat
memasukkan kode untuk mengoperasikan microcontroller jenis apapun.
Universitas Sumatera Utara
16
2.4. GSM Shield
Gambar 2.9. GSM Shield
GSM Shield adalah alat yang digunakan untuk mengirim sinyal GPRS ke
internet. GSM Shield ini dihubungkan ke microcontroller, setelah microcontroller
menerima data dari beberapa perangkat yang terhubung, pengguna dapat mengirim
data ke internet ke alamat ip tertentu untuk menyimpan data. GPRS Shield ini
mempunyai port power supply nya sendiri, dan membutuhkan tegangan sebesar 5v
agar dapat beroperasi. Dan module GSM Shield menggunakan SIM908 yang
mempunyai modul GPS/GPRS didalamnya, dapat menjangkau frekuensi dari 850 Mhz
sampai dengan 1900 Mhz.
Universitas Sumatera Utara
17
2.2. Tabel Penelitian Terdahulu
No.
Judul
Peneliti
Metode
1.
Nitrate and Sulfate
Alif Syarafi
Planar
Estimations in Water
Sources
Using
Sensor Array,
Planar
Faramarzi,
Artificial
Electromagnetic
Mohd Amri
Neural Network
Array
Artificial
and
Md Yunus,
Neural
Sallehudin
Network Method
2.
Solid-state
ini
sensor
elektromagnetik
neural
dan
network
untuk
memonitoring kadar nitrat
dan sulfat di dalam air
Ibrahim
sensors
monitoring
3.
Penelitian
Mohamad Nor, Electromagnetic menggunakan
Mahdi
Sensor
a
Keterangan
Serge
Real-time
Zhuiykov
monitoring,
parameters of water
Wireless Sensor
quality for the next
Network
Penelitian
menggunakan
sensor
ini
wireless
network
memonitoring
untuk
kadar
generation of wireless
carbon terlarut dan besi
sensor networks
terlarut di dalam air
Smart
sensors
real-time
for
Subhas C
water Mukhopadhyay
quality monitoring
, Alex Mason
Real-time
monitoring,
Wireless Sensor
Network
Penelitian
ini
menggunakan
smart
sensors
untuk
memonitoring
kadar
kualitas air
4.
A
Smart
Network
Water
Monitoring
Sensor
for
Francesco
Sea Adamo, Fillipo
Quality
Real-time
Monitoring,
Attivismo,
Wireless Sensor
Carlo
Network
Guarnieri Calȯ
Penelitian
ini
meggunakan
smart
sensors
untuk
memonitoring
kadar
kualitas air di laut
Carducci, Anna
Maria Luca L
Universitas Sumatera Utara