bab ii konsep dan landasan teori

Bab II – Konsep Dan Landasan Teori
BAB II
KONSEP DAN LANDASAN TEORI
2.1 Konsep Smart Home
Dalam bab I telah dijelaskan mengenai latar belakang pembuatan tugas akhir ini,
diantaranya berhubungan dengan kajian smart home. Dalam bab ini akan sedikit
dipaparkan mengenai kajian smart home, diantaranya mengenai keamanan,
kenyamanan dan penghematan energi. Secara garis besar smart home adalah
sebuah sistem yang diaplikasikan pada rumah, bangunan atau ruangan untuk
menjamin kenyamanan, keamanan pemilik atau penggunanya. Ketiga hal tersebut
harus dapat dikontrol dan harus dapat diinformasikan kepada pengguna melalui
suatu sistem kontrol dan sistem monitoring. Gambaran umum sistem smart home
dan pokok bahasan yang dikerjakan pada tugas akhir ini dapat dilhat seperti pada
gambar 2.1.
Pokok pembahasan yang
dikerjakan pada tugas akhir ini
Gambar II.1 Diagram sistem smart home
4
Bab II – Konsep Dan Landasan Teori
2.1.1
5
Keamanan
Sistem keamanan yang dibangun dalam suatu sistem smart home diantaranya
ditujukan untuk melakukan tindakan pencegahan terhadap kejadian yang dapat
membahayakan penghuni maupun property penghuni. Hal yang dapat
membahayakan tersebut seperti pencurian dan kebakaran. Untuk mencegah hal
tersebut dapat dibuat suatu sistem keamanan meliputi sistem kunci otomatis,
kamera pengawas, pendeteksi maling maupun pendeteksi kebakaran. Tindak
lanjut dari sistem keamanan dapat dilakukan oleh sistem smart home itu sendiri
maupun diteruskan ke sistem lain misal sistem keamanan lingkungan seperti pihak
kepolisian atau satpam.
2.1.2
Kenyamanan
Sistem kenyamanan diantaranya ditujukan untuk membuat penghuni menjadi
lebih nyaman berada di dalam ruangan dan dapat lebih berkonsentrasi dalam
mengerjakan aktifitasnya. Sistem kenyamanan dapat meliputi pengaturan
temperatur udara, kelembaban udara, aliran udara dan intensitas cahaya. Proses
kontrol dalam sistem ini sangat penting dalam mengatur parameter yang dikontrol
agar memiliki kondisi yang stabil sesuai dengan yang diinginkan.
2.1.3
Penghematan Energi
Selain kemananan dan kenyamanan, penghematan energi menjadi sangat penting
karena semua sistem dalam smart home akan menjadi tidak efesien apabila tidak
mempertimbangkan penghematan. Diantara objek penghematan yang banyak
digunakan dalam kehidupan manusia adalah listrik dan air, selain itu banyak juga
dikaji bagaimana mencari dan menggunakan alternatif energi dalam suatu sistem
seperti smart home, seperti penggunaan cahaya matahari atau angin.
Penghematan energi listrik diantaranya dapat dilakukan melalui pengontrolan
penggunaan energi listrik atau penggunaan capacitor bank. Capacitor bank
merupakan suatu alat yang dapat peningkatan nilai faktor daya. Faktor daya
maksimum bernilai 1, bila polaritas Tegangan dan Arus pada jaringan listrik tidak
Bab II – Konsep Dan Landasan Teori
6
sama maka akan menyebabkan faktor daya menjadi berkurang kemudian
menyebabkan daya cenderung mengalir dari peralatan ke sumber, hal ini akan
memboroskan penggunaan listrik. Faktor daya dapat di dalam jaringan listrik akan
turun apabila pada jaringan tersebut terdapat alat yang memiliki beban listrik yang
mengandung reaktansi, seperti motor listrik, lemari es atau mesin cuci.
Penghematan energi listrik secara sederhana dapat pula dilakukan melalui
pengawasan penggunaan listrik pada power outlet dan pada lampu. Pengawasan
power outlet dan lampu ini merupakan bahasan pokok yang nanti akan dibahas
pada bagian selanjutnya.
2.1.4
Monitoring
Keamanan, kenyaman dan penghematan energi harus dapat diinformasikan dan
dikomunikasikan dengan pengguna. Sistem monitoring yang dikembangkan
dalam smart home dapat berupa penyimpanan data yang sewaktu-waktu dapat
dilihat untuk dianalisis atau dapat pula berupa tampilan data dari kondisi
keamanan, kenyamanan serta penggunaan energi yang dapat dilihat langsung oleh
pengguna. Sistem monitoring dalam smart home dapat dikembangkan melalui
internet. Sistem monitoring melalui internet ini memungkinkan pengguna untuk
dapat mengawasi atau me-monitoring keadaan ruangan, bangunan atau tempat
tinggalnya walaupun tidak berada di tempat. Sistem monitoring ini pula dapat
digunakan sebagai media untuk mengkontrol keamanan, kenyamanan maupun
penghematan energi.
2.2 Landasan Teori
Untuk membangun suatu sistem smart home, terutama dalam hal penghematan
energi diperlukan komponen pendukung dalam mewujudkannya, diantaranya
adalah penggunaan sensor dan piranti elektronika. Pada subbab ini selanjutnya
akan dibahas mengenai prinsip dasar sensor dan rangkaian pendukung yang
digunakan dalam pengerjaan tugas akhir ini.
Bab II – Konsep Dan Landasan Teori
2.2.1
7
Prinsip Dasar Sensor
Transducer merupakan alat yang dapat mengubah suatu jenis besaran ke dalam
besaran lain. Transducer yang mengubah besaran fisis ke dalam besaran listrik
disebut dengan sensor. Sensor dapat menerima sinyal dan rangsangan dari besaran
fisis seperti medan magnet, intensitas cahaya atau temperatur kemudian
mengubahnya menjadi besaran listrik berupa tegangan, arus atau frekuensi.
Besaran listrik yang dihasilkan oleh sensor dapat digunakan sebagai informasi
dari besaran fisis yang diamati. Besaran listrik ini dapat diolah atau dikuatkan
dengan menggunakan rangkaian elektronika berupa rangkaian pengolah sinyal,
sehingga walaupun sensor sudah mengeluarkan sinyal listrik, sinyal tersebut tidak
dapat langsung digunakan untuk pengolahan data namun harus melewati
rangkaian pengolah sinyal.
2.2.1.1 Sensor Toroid
Sensor Toroid terdiri dari kumparan pada suatu inti yang berbentuk lingkaran,
seperti terlihat pada gambar 2.2.
Gambar II.2 Toroid
Pada sensor Toroid terdiri dari dua buah kumparan, yaitu kumparan primer dan
kumparan sekunder. kumparan primer merupakan kumparan yang menjadi objek
pengukuran yang memiliki sumber arus, sedangkan kumparan sekunder adalah
kumparan yang terinduksi oleh kumparan primer dan menjadi informasi sinyal
yang diperlukan untuk melakukan pengukuran.
Untuk mempelajari prinsip dasar dari toroid maka dapat dimulai dari memahami
prinsip dasar dari kawat berarus, kumparan (solenoida) dan kemudian baru toroida.
Prinsip dasar dari sensor toroid ini berawal dari prinsip kerja kawat berarus.
Bab II – Konsep Dan Landasan Teori
8
Kawat yang dialiri arus I akan menghasilkan medan magnet B yang arahnya
memenuhi kaidah tangan kanan, seperti yang terlihat pada gambar II.3.a.
Kumparan yang diberi arus I akan menghasilkan medan magnet B yang arahnya
terlihat seperti di gambar II.3.b yang juga memenuhi kaidah tangan kanan.
a)
b)
Gambar II.3 Medan magnet B pada: a) kawat berarus b) kumparan berarus
Besar medan magnet B {tesla (T)} pada suatu daerah luas A (m2) didefinisikan
sebagai besar fluks magnetik. Φ {Weber(Wb) = T.m2}. Secara matematis
besarnya:
Φ = B. A
(2.1)
Induktansi induktor dengan jumlah lilitan N merupakan akumulasi fluks magnet
untuk setiap arus yang melewatinya, yang dapat dirumuskan dalam:
L=
N .Φ
i
(2.2)
Sedangkan besar medan magnet (B) di titik tengah sebuah induktor merupakan
hubungan antara permeabilitas bahan inti (µ), permeabilitas ruang hampa (µ0)
yang besarnya 4π*107, jumlah lilitan persatuan panjang (n) dan arus (i) yang
melewati induktor dapat dirumuskan :
B = µ .µo.n.i
(2.3)
Bab II – Konsep Dan Landasan Teori
9
Bila n adalah jumlah lilitan persatuan panjang (l)
n=
N
l
(2.4)
Gambar II.4 Kumparan Solenoida
Maka dari hubungan persamaan (2.1), (2.2) dan (2.3) besarnya induktansi
kumparan (solenoida) adalah:
L=
µ .µo.N 2 . A
(2.5)
l
Gambar II.5 Kumparan Toroida
Untuk toroida bentuk kumparannya melingkar, sehingga l efektif kumparan pada
toroida adalah
l = 2.π .r
(2.6)
Bab II – Konsep Dan Landasan Teori
10
Maka besarnya induktansi toroida dapat dirumuskan menjadi
L=
µ .µo.N 2 A
2.π .r
(2.7)
Bila kumparan yang telah diberi arus dan menghasilkan medan magnet kemudian
didekatkan dengan kumparan lain dalam keadaan lingkar tertutup maka, medan
magnet kumparan sumber akan menginduksi kumparan baru tersebut. Namun arah
medan magnet induksi akan berlawanan dengan medan magnet sumber, sehingga
hasil dari induksi medan magnet ini akan mengakibatkan kumparan yang baru
memiliki ggl induksi dan pada akhirnya juga menghasilkan arus induksi yang
arahnya juga berlawanan dengan arah arus sumbernya, seperti terlihat pada
gambar II.6. Hal ini mengikuti hukum Lenz’s yang menyatakan bahwa “arus
induksi yang timbul pada sebuah lingkar tertutup akan muncul berlawanan dengan
arah arus sumbernya”.
Gambar II.6 Induksi magnetik
Induksi ini timbul karena adanya perubahan fluks pada kumparan. Pada kumparan
yang pada awalnya tidak memiliki arus dan medan magnet bila diinduksi akan
timbul medan magnet yang arahnya berlawanan dengan sumber induksi, yang
bertujuan mengimbangi keadaan awal dengan menghasilkan medan magnet yang
arahnya berlawanan dengan sumbernya. Namun apabila arah dan besar medan
magnet sumber tetap, maka tidak akan terjadi induksi karena tidak akan ada
perubahan fluks. Sehingga syarat agar terjadi ggl induksi adalah dengan adanya
perubahan fluks. Hal ini merupakan Hukum Faraday yang dinyatakan persamaan
2.8.
Bab II – Konsep Dan Landasan Teori
ε = −N
dΦ B
dt
11
(2.8)
dimana
ε
: ggl induksi/beda potensial induksi (volt), ε ≡ V
N
: Jumlah Lilitan pada kumparan
φB
: Fluks Magnetik (weber), tanda negatif merupakan penjabaran Hukum
Lenz’s yang menunjukan arah ggl induksi akan berlawan dengan arah sumbernya.
Daya pada kedua kumparan didapat dari persamaan
P=VI
(2.9)
Pprimer = Psekunder
(2.10)
Karena ε ~ N maka
I Primer
N
= Sekunder
I Sekunder
N Primer
(2.11)
2.2.1.2 Sensor Inframerah
Inframerah merupakan Gelombang Elektromagnetik yang memiliki panjang
gelombang mulai 750 nm sampai dengan 10000 nm. Panjang gelombang
inframerah ini lebih panjang dari cahaya tampak namun lebih pendek dari
gelombang mikro. Inframerah diklasifikasikan menjadi tiga macam, yaitu
inframerah yang memiliki panjang gelombang 10000 nm sampai dengan 1000 nm
biasa disebut dengan istilah far-infrared, inframerah yang memiliki panjang
gelombang 1000 nm hingga 2500 nm biasa disebut dengan mid-infrared dan
terakhir yaitu inframerah yang memiliki panjang gelombang 2500 nm sampai
dengan 750 nm atau biasa disebut dengan near-infrared. Sensor inframerah yang
banyak dijual dan banyak digunakan adalah dari jenis near-infrared. Salah satu
bentuk sensor inframerah terlihat pada gambar dengan bandwidth λ = 850 nm to
Bab II – Konsep Dan Landasan Teori
950 nm. Keluaran
12
dari sensor relatif kecil (orde milivolt) dan biasanya diiringi oleh
noice sehingga diperlukan pengolah sinyal untuk menghilangkan noice dan
penguat untuk pengolahan selanjutnya.
Gambar II.7 Sensor Inframerah
(http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Electromagnetic_spectrum.JPG)
Gambar II.8 Spektrum elekromagnetik.
2.2.1.3 Sensor LDR
Sensor LDR atau Light Dependent Resistor adalah sensor yang dapat mendeteksi
intensitas cahaya, hal ini karena permukaan LDR yang terbuat cadmium sulfide
(CdS) hambatannya tergantung pada jumlah cahaya yang mengenai permukaan
LDR. Hubungan antara hambatan LDR (RL) dan intensitas cahaya (Lux) untuk
beberapa jenis LDR tertentu adalah
RL = 500 / Lux Kohm
(2.12)
Pada saat kondisi sangat gelap atau tidak ada cahaya, hambatan LDR dapat
mencapai 10 Mohm sedangkan pada saat kondisi sangat terang hambatan LDR
dapat di bawah 100 ohm.
Bab II – Konsep Dan Landasan Teori
13
Gambar II.9 Bentuk Fisik Sensor LDR
2.2.2
Rangkaian dan Komponen Pendukung
Untuk dapat mengolah keluaran dari sensor maka diperlukan rangkaian
pendukung sehingga data dari sensor dapat digunakan untuk melakukan suatu aksi.
Rangkaian pendukung yang dimaksud adalah rangkaian pengolah sinyal,
rangkaian filter, rangkaian penguat, ADC (Analog to Digital Converter),
Mikrokontroler, dan Diac-TRIAC.
2.2.2.1 Pengolah Sinyal, Penyearah, Tapis dan Penguat
Fungsi rangkaian pengolah sinyal dan filter adalah untuk menyesuaikan sinyal
yang dihasilkan oleh sensor menjadi sinyal yang mudah untuk diolah dan terpilah
dari sinyal gangguan. Sinyal yang dapat diolah dalam rangkaian elektonika
terutama IC adalah sinyal yang searah, sehingga apabila sinyal yang dihasilkan
oleh sensor tidak atau belum searah, maka
perlu disearahkan menggunakan
penyearah. Tampilan penyearahan sinyal dari sensor dapat terlihat pada gambar di
bawah.
(a)
(b)
Gambar II.10 Penyearahan sinyal a). sinyal dari sensor
b).sinyal yang disearahkan
Sinyal yang telah disearahkan, selanjutnya disaring agar terpisah dari gangguan.
Proses penyaringan ini dapat dilakukan sebelum proses penyearahan maupun
setelah proses penyearahan, namun pada umumnya rangkaian tapis telah
terintegrasi beserta rangkaian penguat. Sedangkan pemasangan rangkaian penguat
di awal penerimaan sinyal dari sensor dikhawatirkan akan menyebabkan
penguatan terhadap noice. Rangkaian penguat diperlukan, karena keluaran dari
Bab II – Konsep Dan Landasan Teori
14
sensor pada umumnya dalam orde milivolt, sedangkan rangkaian elektonik
pengolah data dan IC yang digunakan bekerja pada tegangan dengan orde volt
atau tegangan TTL 0-5 volt. Ada pula rangkaian filter yang terpisah dari
rangkaian penguat, seperti filter pasif tapis lolos rendah yang berfungsi juga
sebagai pengubah sinyal bolak-balik menjadi sinyal searah. Rangkain tapis pasif
lolos rendah dan keluarannya ketika berfungsi sebagai integrator telihat pada
gambar di bawah.
Gambar II.11 Rangkaian integrator dan keluarannya
Diagram pengolah sinyal dari penyearah, filter dan penguat dapat digambarkan
seperti pada gambar dibawah.
Gambar II.12 Bagan Pengolah Sinyal
2.2.2.2 ADC (Analog to Digital Converter)
Setelah sinyal yang berasal dari sensor disearahkan, disaring dan atau dikuatkan,
pengolahan selanjutnya yang berhubungan dengan kepentingan tujuan sistem
adalah mengonversinya ke dalam sinyal atau data digital. Untuk melakukan
proses konversi ini digunakan ADC atau Analog to Digital Converter. ADC
berfungsi mengubah sinyal analog menjadi digital.
Bab II – Konsep Dan Landasan Teori
15
ADC yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah ADC0804 yaitu ADC 8 bit
dengan menggunakan metode konversi pendekatan berturutan atau Successive
Approximation Register (SAR). Waktu konversi ADC 0804 ini sekitar 100 mikro
detik untuk clock 640 KHz, tegangan input 0-5 volt (1 channel) dan tegangan
acuan 2,5 volt dengan ketelitian
+/- 1 LSB Least Significant Bit. Sistem
pewaktuan untuk ADC ini diatur oleh komponen-komponen R dan C pada pin-pin
CLK-R dan CLK-IN dan tidak membutuhkan clock generator eksternal kerena
ADC sudah dilengkapi oleh generator internal clock.
Adapun cara kerja ADC 0804 secara umum, saat keadaan logika WR atau RD
dalam kondisi low(0 volt), ADC ini dalam keadaan reset. Jika salah satu dari
keadaan logika tersebut dalam kondisi high maka ADC mulai bekerja. SAR
mengeluarkan 8 bit yang kemudian diubah menjadi tegangan analog oleh DAC.
Tegangan ini dibandingkan dengan tegangan masukan analog, jika keluaran DAC
lebih kecil dari tegangan masukan analog (Vout DAC<Vin , bit set = 1) maka SAR
terus bekerja sampai pada kondisi dimana tegangan keluaran DAC lebih besar
dari tegangan masukan analog (Vout DAC>Vin , bit set = 0) . Pada saat itu
keluaran komparator akan menghentikan SAR. Data pada keluaran SAR adalah
data digital hasil konversi tegangan analog. Setelah selesai konversi, ADC akan
memberi tanda dengan mengaktifkan INTR. Keluaran SAR disimpan sementara
oleh latch sehingga dapat langsung berhubungan dengan bus (“jalur”)
mikrokontroller.
2.2.2.3 Mikrokontroler
Mikrokontroler merupakan suatu alat yang aplikasinya berorientasi pada
pengontrolan piranti input/output, yang berbentuk suatu chip komputer. Di dalam
satu chip mikrokontroler terdapat CPU, RAM, ROM, Register-register dan unit
penunjang lainnya.
Bab II – Konsep Dan Landasan Teori
16
Pada umumnya unit-unit yang terintegrasi dalam mikrokontroler adalah :
Gambar II.13 Bagan Unit Mikrokontroler
CPU: Central Proocecing Unit ini berfungsi memproses dan mengalkulasi semua
data dan program yang dimiliki oleh mikro.
Osilator: Berfungsi untuk memberi acuan nol-satu pada mikrokontroler.
Interupt Control: Digunakan untuk menginterupsi program yang sedang berjalan
dengan suatu aplikasi.
ROM: Read Only Memori, yaitu memory yang disediakan oleh mikro untuk
meyimpan program. ROM hanya bisa dibaca dan tidak bisa ditulis pada saat
eksekusi program. ROM ini ada dua macam, yaitu EPROM (Eraseable
Programable ROM) yang dapat dihapus programnya dengan cara menggunakan
sinar ultraviolet dan dapat kembali diisi dengan menggunakan EPROM
Programmer. Kedua adalah EEPROM (Electric Eraseable Programable ROM)
yang dapat dihapus dengan memberi tegangan 5 volt selama beberapa menit, dan
dapat diisi kembali menggunakan EEPROM maupun EPROM programmer.
Program tidak hilang ketika mikro tidak diberi Vcc (tegangan input).
RAM: Random Acces Memory, berfungsi sebagai tempat menyimpan data
sementara. Program akan hilang ketika mikro tidak diberi Vcc.
Bab II – Konsep Dan Landasan Teori
17
Timer: Timer ini terbagi menjadi empat macam, yaitu Timer 0, Timer 1, Timer 2
dan Timer 3.
Serial Interface: Berfungsi untuk melakukan komunikasi serial, yaitu data
dikirim secara antri/satu persatu.
Paralel Interface: Berfungsi untuk melakukan komunikasi paralel, yaitu data
dikrim secara bersamaan. Selain itu paralel interface ini dapat digunakan untuk
memprogram mikrokontroler.
I/O Port: Port input/output ini digunakan untuk melakukan penerimaan atau
pengiriman data dari dan keluar mikrokontroler. Pada mikrokontroler keluarga
MCS-51 terdapat empat buah port, yaitu port 0, port 1, port 2 dan port 3.
Mikrokontroler yang digunakan dalam penelitian ini adalah mikrokontroler
AT89S52 dari keluarga mikrokontroler MCS-51. Mikrokontroler AT89S52
memiliki 40 pin. Yang terbagi atas 4 buah Port 8 bit, PSEN (Program Store
Enable), ALE (Address Latch Enable), EA (External Access), RST (Reset), Power
Connection.
Gambar II.14 Pin pada Mikrokontroler
Bab II – Konsep Dan Landasan Teori
18
2.2.2.4 TRIAC dan OptoDIAC
Gambar II.15 TRIAC
Triac merupakan terminal semikonduktor tiga kaki.
Ada dua kaki berfungsi
sebagai anoda dan katoda, sedangkan satu kaki lagi berfungsi sebagai terminal
gate atau sebagai triger arus. Triac juga dikenal sebagai alat untuk mengkontrol
arus yang bersifat AC atau bolak-balik, sedangkan untuk mendrive triac dari
piranti elektronika DC diperlukan optodiac. Lambang dari optoDiac dapat terlihat
seperti pada gambar di bawah.
Gambar II.16 optoDIAC
Optodiac berfungsi sebagai optocoupler untuk memisahkan dan mengamankan
piranti elektronik DC dengan AC dengan bantuan cahaya. Optodiac merupakan
diac yang memiliki triger cahaya untuk menjalankan dua bagian atau terminal
yang lainnya.