SISTEM MONITORING KECEPATAN MOTOR DC JARAK JAUH MENGGUNAKAN JARINGAN NIRKABEL ZIGBEE DAN ARDUINO UNO ATMEGA 328P Ridho Faisal*,Ir.N.H Kresna,M.T**,Mirza Zoni, S.T, M.T** (1)Mahasiswa Teknik Elektro, (2) Dosen Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Bung Hatta E-Mail: [email protected] Sistem kendali nikabel semakin berkembang dan diaplikasikan pada banyak system kendali. Pada saat yang sama Zigbee hadir dengan menawarkan yang unik yaitu data rate yang rendah, hemat dalam penggunaan energi dan sekuritas yang mumpuni. Ini merupakan kesempatan untuk semakin berkembangnya system kendali jarak jauh dimama kita mengendalikan plant dari jarak yang cukup jauh sekitar 70 meter. Zigbee secara signifikan mampu memberikan terobosan dalam mengatasi masalah-masalah yang sering terjadi dalam system kendali, sensor dan otomasi. Tugas Akhir ini bertujuan mengimplementasikan sebuah sistem kendali kecepatan motor DC dari jarak jauh. Sistem ini akan melewati dua sisi Xbee dan dua mikrokontroler Arduino UNO AVR ATMega 328. Pada sisi transmitter arduino mencatat semua perilaku motor kemudian di-link-kan dengan Xbee sisi plant dan dipancarkan ke pemerima pada sisi monitor yaitu komputer. Pada sisi computer Adapter Xbee akan merubah sinyal analog dari Xbee menjadi sinyal digital sehingga dapat ditampilkan dalam desktop pada layar komputar. Dengan demikian perilaku motor dapat diamati dari jarak jauh. Metoda kendalian motor DC menggunakan metoda Pulse Wide Modulation berdasarkan fungsi pewaktu. Data perilaku motor yaitu kecepatan, tegangan dan arus ditampilkan dalam desktop pada layar komputer di ruang kendali. Sistem kendali ini dapat memberikan gambaran perilaku motor. saat arduino di set 8 bit, besaran PWM yang dibuat 30~ (kecepatan minimum) menghasilkan kecepatan 180 RPM pada motor dan disaat dibuat 110~ (kecepatan maximum) menghasilkan kecepatan 390 RPM. Hasil analisa yang didapat pada xbee bahwa semakin jauh jarak antar xbee maka akan semakin besar pula delay time kecepatan transfer datanya, dalam kondisi ruangan indoor / outdoor mempengaruhi jangkauan koneksi antar Xbee yang mana pada saat kondisi berpenghalang (indoor) xbee hanya terkoneksi samapai jarak 30 meter dengan delay time maximal 3,6 detik sedangkan pada jarak tidak berpenghalang (outdoor) xbee dapat menjangkau sampai 70 meter dengan delay time maximal 3 detik. Kata Kunci: Arduino, Xbee, PWM, Jarak, Kecepatan 1. PENDAHULUAN Dewasa ini 1.1 sistem DEFINISI MASALAH kendali Perancangan sistem informasi mengalami kemajuan yang sangat pesat dan pengukuran dan pengendalian kecepatan bahkan akan berkembang semakin cepat. motor Sistem kendali tertanam mengendalikan motor DC menggunakan Ditengah-tengah berkembangnya DC ini ialah sistem timer dan bagaimana cara menampilkan hasil berbagai protokoler komunikasi, Zigbee pengukuran kinerja Motor DC dalam suatu hadir dengan penawaran yang unik. Zigbee interface pada sebuah PC secara realtime. menawarkan data rate yang rendah, hemat 1.2 dalam Tugas akhir ini dirancang dengan tujuan penggunaan energy, dan juga sekuritas yang mumpuni. Selain itu Zigbee TUJUAN PENELITIAN sebagai berikut : dapat mengirim sinyal hingga mencapai 1. Membuat sistem kendali kecepatan jangkauan 75 meter sehingga ini menjadi motor DC jarak jauh secara nirkabel kesempatan protokoler yang sangat baik untuk Zigbee dan Arduino. mengembangkan sistem kendali jarak jauh. Pengamatan dan perilaku motor DC Diharapkan Zigbee dapat menjadi solusi dilakukan secara realtime melalui yang baik dalam mengatasi permasalahan sebuah laptop pengendalian secara nirkabel. Teknologi 2. Memonitoring kecepatan motor dan mikrokontroller saat ini telah berkembang mengendalikannya secara otomatis pesat. Sehingga aplikasinya semakin luas, apabila motor berjalan dalam waktu penggunaan yang berbeda. mikrokontroller mempermudah penggunaan dan alat untuk mempercepat lain. Salah satu mikrokontroller yang banyak digunakan adalah Arduino. Arduino adalah pengendali 3. Mempermudah jarak jauh. 4. Mempelajari ilmu pengetahuan baru di source dan diturunkan dari Wiring platform. kontrol dirancang penggunaan bidang. untuk elektronik bidang komunikasi memudahkan dalam dan pengoperasian Motor DC secara mikro single-board yang bersifat open- Arduino monitoring berbagai 2. KAJIAN TEORI 2.1 Protokol Zigbee berbasis 2 ZigBee adalah protokol jaringan menggunakan PWM kita dapat mengatur nirkabel yang ditargetkan untuk kecepatan yang diinginkan dengan mudah. otomasi dan aplikasi remote control Teknik PWM untuk pengaturan kecepatan dengan teknologi data rate rendah, motor adalah, pengaturan kecepatan motor konsumsi daya rendah, dan harga dengan cara merubah-rubah besarnya duty murah. ZigBee diharapkan dapat cycle pulsa. Pulsa yang yang berubah ubah memperkecil biaya dan menjadi duty cycle-nya inilah yang menentukan konektivitas berdaya rendah untuk kecepatan motor. Besarnya amplitudo dan peralatan yang memerlukan baterai frekuensi pulsa adalah tetap, sedangkan untuk hidup selama beberapa bulan besarnya duty cycle berubah-ubah sesuai sampai beberapa tahun, tetapi tidak dengan kecepatan yang diinginkan, semakin memerlukan kecepatan transfer data besar duty cylce maka semakin cepat pula tinggi. Perangkat nirkabel ZigBee kecepatan motor, dan sebaliknya semakin diharapkan dapat digunakan untuk kecil duty cycle maka semakin pelan pula mengirimkan kecepatan motor. data sejauh 10-75 meter, tergantung pada lingkungan RF (Radio Frekuensi) dan output konsumsi daya yang diperlukan untuk diberikan aplikasi. 2.3 ARDUINO Arduino adalah pengendali mikro singleboard yang bersifat open-source, diturunkan dari Wiring platform, dirancang untuk memudahkan penggunaan elektronik dalam berbagai bidang. memiliki prosesor perangkat 2.2 PWM teknik untuk mengatur kecepatan motor DC umum Atmel kerasnya AVR memiliki dan bahasa pemrograman yang dinamakan processing. PWM (Pulse Width Modulation), salah satu yang lunaknya Perangkat digunakan. Dengan 3 Arduino Uno AVR ATMega 238 adalah rangkaian elektronik berukuran kecil yang dapat di program untuk membaca sensor mengendalikan akuator, dan juga berkomunikasi dengan komputer. Konfigurasi Arduino 2.4 MODUL XBEE XBee merupakan modul memungkinkan Arduino berkomunikasi secara yang untuk wireless menggunakan protokol ZigBee. Papan Arduino Xbee yang digunakan pada tugas akhir ini adalah xbee series 2 2 Mw. ZigBee Konfigurasi Arduino Uno AVR ATMega 238 : pada spesifikasi IEEE 802.15.4 radio fisik dan beroperasi pada 1. Mikrokontroler ATmega 328 band berlisensi termasuk 2.4 GHz, 900 2. Beroperasi pada tegangan 5 volt MHz dan 868 MHz. Basis XBee berasal 3. Tegangan input (rekomendasi) 7 - 12 V 4. Batas tegangan input 6 - 20V 5. Pin beroperasi digital input/output dari modul MaxStream. Modul ini memungkinkan 14 (6 mendukung output PWM) 6. Pin analog 6 komunikasi wireless dalam jangkauan hingga 30 meter (dalam ruangan) atau 100 meter (luar ruangan). 7. Arus pin per input/output 40 mA 8. Arus untuk pin 3.3V adalah 50mA 9. Flash memory 32 KB (ATmega 328) yang mana 2 KB digunakan oleh bootloader 10. SRAM 2 kB (ATmega 328) Modul XBee 11. EEPROM 1 kB (ATmega 328) 12. Kecepatan clock 16 Mhz Pada dasarnya, XBee merupakan komunikasi serial. Akan tetapi, apabila 4 mode API digunakan, dibutuhkan Receiver-Transmitter adalah keras bagian pemaketan data RF. Untuk itu, data akan di- perangkat komputer buffer terlebih dahulu sebelum dikirim atau menerjemahkan bit-bit paralel data dan bit- diterima. Flow data serial menjadi paket RF. bit serial.UART biasanya berupa sirkuit Pada XBee apabila ada data input (DI), data terintegrasi akan masuk ke DI buffer. Setelah itu, input komunikasi serial pada komputer atau port data akan diteruskan ke RF TX buffer, serial perangkat peripheral.Device yang kemudian untuk mentransmisikan input memiliki interface UART dapat terhubung data, posisi RF switch menjadi transmitter. langsung pada pin modul RF. yang digunakan yang untuk Begitu juga sebaliknya, apabila ada data yang diterima, posisi RF switch menjadi receiver lalu data akan masuk RF RX buffer, kemudian data diteruskan ke DO buffer lalu menjadi data output (DO), kemudian DO Sistem data flow diagram pada lingkungan diteruskan dari XBee ke host. UART Pada mode operasi Programming XBee Interface Application (API), data yangmasuk diurutkan pada frame sesuai dengan urutan yang telah ditentukan. Data frame yang berurutan ini akan membantu dalam Diagram data flow internal proses membedakan command, command response, Modul RF interface XBee/XBeePRO OEM berhubungan dengan melalui logic-level Melalui asynchronous serial port ini, serial port. modul dapat berkomunikasi dengan logic dan voltage kompatibel Universal Asynchronous API frame XBee 2.5. MOTOR Receiver-Transmitter (UART) atau melalui Motor DC merpakan motor listrik level translator ke semua serial device yang memerlukan tegangan searah pada board.UART atau Universal Asynchronous kumparan medannya untuk diubah menjadi 5 energi mekanik. Bagian utama motor DC sebagai tempat berlangsungnya terdiri atas statos dan rotor. Stator adalah perubahan energi dan daerah tersebut. proses bagian yang tidak berputar dan terdapat kumparan medan, merupakan bagian sedangkan yang berputar rotor dan terdapat kumparan jangkar. Bentuk motor DC paling sederhana dapat memiliki kumparan dengan satu lilitan yang bisa berputar bebas di antara kutub-kutub magnet permanen. Konstruksi Motor DC Adapun arus listrik yang melewati kumparan akan menyebabkan terbentuknya GGL lawan (Eb) pada kumparan sebesar, adapun rumus dari GGL dapat dilihat pada persamaan berikut . Eb = Konstruksi Motor Pada motor DC jika kumparan jangkar Dimana : diputar dalam pada medan magnet, maka Eb = GGL lawan (volt) akan timbul tegangan (GGL) yang berubah- P = jumlah kutub-kutub motor ubah arah pada setiap setengah putaran, sehingga merupakan tegangan bolak-balik. a = jumlah cabang sisi kumparan Prinsip kerja motor DC daerah kumparan n medan yang dialiri arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang = jumlah penghantar Ф = fluks per kutub (maxwell) melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu. Konversi dari energi listrik menjadi 2.6 DRIVER MOTOR energi sebaliknya Driver Motor DC biasa digunakan untuk berlangsung melalui medan magnet, dengan mengendalikan motor agar motor dapat demikian medan magnet selain dikendalikan sebagai mekanik maupun berfungsi menyimpan energy sekaligus juga melalui mikrokontroler, 6 sehingga motor dapat berputar, kecepatan motor bisa diatur termasuk arah putar. Wireless Xbee Transmiter Driver Motor DC berfungsi sebagai penguat arus dan tegangan, sehingga Laptop Acer Aspire 4752 Wireless Xbee Receiver Piringan Motor motor mendapatkan supplay arus yang sesuai, L298N adalah driver motor dc, H-Bridge Operator Modul yang paling sederhana dan mudah untuk dipergunakan, untuk rangkaianpun menjadi Model perancangan alat lebih simple dan sederhana. 3.2 PERANCANGAN JARINGAN XBEE TRANSMITER (PENGIRIM) XBee merupakan modul memungkinkan Arduino berkomunikasi secara menggunakan protokol yang untuk wireless ZigBee. Xbee berfungsi sebagai mengirim data yang diolah oleh arduino berbentuk sinyal digital. ZigBee beroperasi pada spesifikasi IEEE Konfigurasi PIN dan rangakaian L298N 802.15.4 radio fisik dan beroperasi pada band berlisensi termasuk 2.4 GHz, 900 MHz 3. PERANCANGAN MODEL 3.1 Konsep Perancangan dan 868 MHz. Basis XBee berasal dari modul MaxStream. Modul ini memungkinkan komunikasi wireless dalam Berikut ini adalah model perancangan jangkauan hingga 30 meter (dalam ruangan) kendali kecepatan motor dc jarak jauh atau 100 meter (luar ruangan). XBee dapat menggunakan jaringan nirkabel. dimana digunakan sebagai pengganti kabel serial, dalam perancangan alat tahap pertama dapat juga digunakan sebagai mode perintah yang dibuat adalah suatu konsep atau untuk blok diagram agar lebih terlihat bentuk menghubungkan suatu jaringan dan alur dari rancangan tersebut, suatu broadcast, dan pilihan 7 XBee Arduino Arduino Shield Xbee Rangkaian skematik Xbee Transmiter 3.3 PERANCANGAN JARINGAN XBEE RECEIVER Adapter Xbee Receiver (penerima) bertugas dalam menerima data yang dikirim oleh xbee transmitter (pengirim). Alat ini terhubung Gambar 3.4 Rangkaian skematik Xbee pada Laptop PC (Personal Computer), Pada Receiver Xbee receiver tidak menggunakan arduino sebagai alat yang merubah sinyal analog menjadi sinyal digital tetapi menggunakan 3.4 RANGKAIAN KESELURUHAN Adapun keseluruhan rangkaian xbee adapter. adapter menjadi socket xbee, skematik dapat dilihat pada Gambar 3.9, dan dikonversikan menjadi serial USB / dari rangkaian terlihat bahwa mikrokontroler universal serial bus, sehingga USB dapat menerima banyak input berupa sensor yang langsung dimasukan ke laptop. Sinyal yang meliputi sensor arus, tegangan DC, tegangan dikirim sudah berbentuk sinyal digital, jadi AC, kecepatan motor dan berat beban serta data sudah bisa diakusisi oleh laptop secara driver motor DC sebagai Output. langsung. 8 didapatkan sebesar 1 detik, hal itu berlangsung sampai jarak 15 meter, delay time bertambah secara linear sehingga pada jarak 30 meter delay time menjadi 3,6 detik Delay Time (Detik) 3.5 Xbee 3 2.5 2 1.5 Rangkaian skematik secara keseluruhan 1 0.5 4. PENGUJIAN DAN ANALISA 0 10 DATA 4.1 ANALISA PENGUJIAN MOTOR 20 30 40 50 60 70 Jarak (M) Grafik pengujian delay time motor konstan KONSTAN Outdoor Delay Time (Detik) 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 Sama halnya dengan pengujian indoor bahwa semakin jauh jarak antar xbee maka akan bertambah besar pula delay time yang dihasilkan dalam mentransfer data. Pada jarak 10 meter delay time yang didapatkan 5 10 15 20 25 30Jarak (M) sebesar 1 detik, hal itu berlangsung sampai jarak 30 meter, delay time bertambah secara linear sehingga pada Grafik pengujian delay time motor konstan jarak 70 meter delay time menjadi 3 detik, indoor perbedaanya dengan posisi xbee indoor Bahwa semakin jauh jarak antar xbee maka akan bertambah besar pula delay time yang dihasilkan dalam mentransfer data. Pada jarak 5 meter delay time yang yaitu jarak jangkauan disaat xbee outdoor lebih jauh dan delay time nya lebih cepat dibandingkan dengan posisi xbee indoor. 9 4.2 PENGUJIAN KECEPATAN 4.2 ANALISA TEGANGAN PWM MOTOR DIVARIASIKAN Pada pengujian PADA MOTOR motor dengan kecepatan berubah dari Tabel 4.11 Saat ini PWM dapat dihasilkan dari mikrokontroller, arduino, pwm memiliki alokasi data 8bit, alias memiliki rentang data Delay Time (Detik) 2 dari 0-255. Motor berputar disebabkan karena adanya fluks magnet yang menimbulkan gaya gerak Tahanan jangkar 1.5 dan konstanta motor bernilai konstan tidak 1 bisa dirubah. Merubah nilai Arus sukar 0.5 dilakukan, dan yang paling mudah adalah 0 180 300 380 Jarak (M) dengan mengatur besar tegangan (V) dapat kita lihat pada persamaan (2.2). Gambar 4.17 Grafik pengujian delay time Pengujian tegangan motor saat kecepatan 180 RPM kecepatan motor divariasikan Jarak antar xbee ialah 1 meter delay time didapatkan pada kecepatan 180 RPM = 1,79 detik, satu menit kemudian kecepatan Pengujian tegangan motor saat motor saat kecepatan 300 RPM menjadi 300 RPM = 1,81 detik dan satu menit kemudiannya lagi kecepatan menjadi 390 RPM= 1,05 detik, karna jarak antar xbee sama maka delay time tidak terlalu berubah dapat kita lihat pada diagram diatas perbedaan delaytime hanya permilisekon Pengujian tegangan kecepatan 390 RPM sehingga hal ini dapat diaabaikan, ini dikarenakan penulis mungkin dalam stopwatch. ketidak mematikan timer telitian pada 5.KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 KESIMPULAN a. Delay time pengiriman data yang didapatkan saat pengujian xbee naik 10 secara linear dimana semakin jauh jarak banyaknya alat / gadget yang berbasis anatar xbee maka akan semakin besar android pada saat ini pula delay time. b. Monitoring c. Monitoring sebaiknya digunakan pada kecepatan dan arus jaringan WEB, sehingga semua data motor dapat diamati langsung dari laptop kecepatan dengan bantuan pengiriman data nirkabel database nya dapat tersimpan di web oleh xbee dengan program XCTU server. c. Koneksi antar xbee pada saat kondisi dapat perangkat lunak memiliki monitoring oleh 30 meter dan d. Sebaiknya adanya penambahan pada ruangan berpenghalang (indoor) hanya jangkauan terorganisir saja untuk interface operator seperti sedangkan pada saat kondisi ruangan DELPHI atau Visual Basic sehingga tidak berpenghalang (outdoor) sampai 80 monitoring meter. mudah d. Jangkauan range xbee pada saat outdoor mengalami pengurangan 10 dapat dilakukan lebih DAFTAR PUSTAKA meter karna xbee sudah berada di dalam Kadir,Abdul, Praktis 2013 “Panduan Mempelajari Aplikasi casing / box modul. e. Mikrokontoler dan Pemrogramannya Kecepatan motor diatur berdasarkan Menggunakan prinsip PWM (Pulse wide modulation) dengan 3 tingkatan kecepatan yaitu: o 30 ~ = 180 RPM o 70 ~ = 300 RPM o 110~= 390 RPM a. Sebaiknya objek yang digunakan ialah sehingga Elektronika”, Edisi ketiga Jilid 1. Jakarta : Penerbit Erlangga. perancangan dan analisa alat b. Alat sebaiknya dikembangkan dengan interface android Malvino Barmawi, “Prinsip-Prinsip terdapat perhitungan yang lebih complex dalam media Faludi, R. 2011. Building Wireless Sensor Networks. America: O'Reilly. induksi Jakarta: Andi Publisher 5.2 SARAN motor Arduino” karena WEBSITES