24 Bab IV PERANCANGAN SISTEM KONTROL NUTRISI

Bab IV
PERANCANGAN SISTEM KONTROL NUTRISI HIDROPONIK NFT
TUMBUHAN TOMAT
IV.1
Desain Sistem
Disain sistem yang dibangun dibagi menjadi tiga proses yaitu pencampuran
larutan di tabung pencampur, pemberian larutan menuju wadah penanaman,
dan penampungan larutan di pembuangan sementara (temporary reservoir).
Ketiga proses tersebut berjalan secara bergantian dan bersirkulasi secara terus
menerus.
Gambar 4.1 Disain sistem umum
24
Pada proses pertama, delapan tabung larutan nutrisi akan mengalirkan
larutannya ke tabung pencampur dengan jumlah larutan yang telah ditentukan
oleh pengguna. Proses pengaliran tiap-tiap tabung dilakukan secara bergantian
dimulai dari pengaliran larutan oleh tabung pertama hingga diakhiri oleh
tabung ke delapan. Setelah semua larutan dialirkan ke dalam tabung
pencampur, kipas akan berputar untuk mengaduk seluruh larutan yang
terlarut. Proses pencampuran dikendalikan oleh sistem logika fuzzi dan
dimonitor secara periodik oleh pengguna.
Proses kedua adalah pengaliran larutan nutrisi yang telah di satukan menuju
wadah penanaman. Proses pengaliran ini dilakukan secara perlahan dengan
kecepatan aliran yang rendah (sekitar 5-40 ml/detik) dan dalam jumlah yang
sedikit. Posisi wadah penanaman diletakkan dengan sudut 15˚ terhadap bidang
datar, hal tersebut bertujuan untuk menjaga agar larutan nutrisi yang mengalir
dapat diterima dengan baik oleh tumbuhan.
Gambar 4.2 Arsitektur sistem kontrol
25
Proses ketiga adalah proses penampungan larutan di pembuangan sementara
(temporary reservoar). Pada bagian ini pompa akan mengalirkan nutrisi
kembali menuju tabung pencampur (mixing tube) secara terus menerus.
Proses kontrol secara keseluruhan pada sistem ini dapat dijabarkan oleh
gambar 4.2. Arsitektur rancangan pada gambar diatas memperlihatkan bahwa
pengguna (pengguna) memiliki kendali terhadap setting jumlah larutan nutrisi
yang ingin dialirkan serta aturan fuzzi yang ingin dipakai.
Input berupa volume larutan diakuisisi oleh sistem dan data yang diterima
dimasukkan ke dalam sistem kontrol untuk dijadikan referensi sebagai data
perbandingan terhadap setting volume yang diinginkan. Hasil keluaran dari
sistem akan disampaikan ke blok aktuator untuk mengatur besarnya dan
lamanya bukaan motor stepper di plant. Selain itu sistem kontrol akan
menampilkan informasi kepada pengguna berupa grafik dan data mengenai
proses yang terjadi selama sistem dijalankan.
IV.2
Desain Sistem Kontrol
Gambar 4.3 Diagram blok sistem
Dalam desain sistem kontrol ini terdapat tiga bagian utama dari sistem kontrol
nutrisi. Bagian pertama adalah bagian pengendalian yang ada di PC
26
(komputer). Pada bagian ini seluruh data akan diolah di dalam sistem
pengontrolan logika fuzzi. Bagian yang kedua adalah bagian perangkat keras
yang berisikan sistem instrumentasi dan elektronika dari sistem pengontrol
keseluruhan. Bagian ini mencakup pengontrolan pada motor stepper dan juga
kipas. Sedangkan bagian terakhir adalah blok akuisisi data yang berfungsi
untuk mengumpan balikkan data volume ke proses pengontrolan di komputer.
Proses kontrol dari sistem dibuat untuk n pengukuran. Tiap pengukurannnya
delapan tabung akan mengalirkan sejumlah larutan sesuai dengan setting yang
telah ditentukan oleh pengguna. Input untuk pengukuran berupa jumlah
volume larutan yang berasal dari data konsentrasi kebutuhan nutrisi tumbuhan
tomat (tabel 2.1 dan tabel 2.2). Jumlah konsentrasi diatur dalam volume zat
pelarut (persamaan 2.1). Data jumlah konsentrasi dijadikan acuan untuk
melakukan proses pengontrolan di komputer hingga pengiriman data menuju
blok aktuator. Pada kasus ini tabung satu akan mengalirkan sejumlah
larutannya dan data jumlah larutan yang masuk ke dalam tabung pencampur
akan dideteksi oleh sensor ketinggian sebelum disimpan untuk dijadikan input
masukan pada tabung satu untuk pengukuran selanjutnya (ke-2).
Jika pada pengukuran pertama input volume di setting oleh pengguna maka
pada pengukuran ke dua, input masukan berasal dari data ketinggian yang
diterima oleh masing-masing sensor di siklus pertama. Input tersebut diolah
dengan logika fuzzi di blok kontrol di komputer sebelum dikirimkan ke blok
aktuator untuk menggerakkan motor stepper. Jumlah larutan yang masuk ke
tabung pencampur kembali dideteksi oleh sensor ketinggian untuk disimpan
datanya dalam suatu file. Data ketinggian yang dideteksi oleh sensor akan
dijadikan input masukan terhadap proses fuzzi di pengukuran berikutnya.
27
IV.3
Desain Perangkat Keras
IV.3.1
Blok akuisisi data
Blok akuisisi data adalah blok yang mengumpulkan data fisis untuk
dikirimkan ke komputer dalam bentuk data digital. Dalam sistem ini
blok akuisisi data terbagi menjadi empat bagian, yaitu sensor, ADC,
mikrokontroller dan PC.
Gambar 4.4 Blok akuisis data
Sensor berfungsi untuk mengubah besaran fisis menjadi besaran
elektrik. Dalam sistem ini besaran fisis yang diukur adalah ketinggian
dari air yang ada pada tabung pencampur. Bagian ADC berfungsi
untuk mengkonversi data analog menjadi data digital sehingga data
tersebut dapat diproses oleh komputer. Integrated Circuit (IC) ADC
yang digunakan dalam sistem ini adalah ADC 0809 yang merupakan
ADC 8 bit yang mengonversi data analog menjadi data digital dengan
panjang data sebanyak 8 bilangan digital (1 byte). Data ADC tersebut
diteruskan ke kaki-kaki mikrokontroller AT89S52 sebelum data
tersebut dikirimkan ke bagian komputer. Data yang masuk ke
mikrokontroller diatur agar selang waktu pengambilan datanya dapat
sesuai dengan selang waktu pengiriman data ke komputer. Proses
pengiriman data dari mikrokontroller ke komputer memakai media
port serial dan berlangsung dua arah artinya komputer akan kembali
28
mengirimkan data ke mikrokontroller untuk memverifikasi kebenaran
data tersebut.
IV.3.2
IV.3.2.1
Sensor Ketinggian
Disain dan dimensi
Gambar 4.5 Sketsa desain sensor ketinggian
Sensor ketinggian dibuat dari bahan kawat besi yang memiliki
diameter 1 mm dengan panjang 14 cm yang ditempatkan di
sebatang balok berukuran 16 × 1 × 4 cm. Kawat besi yang
digunakan berjumlah dua buah dengan masing-masing
ujungnya terhubung dengan dua buah kabel yang menuju catu
daya. Salah satu kabel diberi tegangan sebesar 5 Volt dari catu
daya sementara itu kabel lainnya terhubung dengan dua buah
29
resistor yang masing-masing memiliki hambatan sebesar 15Ω
dan 330Ω. Masing-masing kaki resistor 330 Ω terhubung
dengan ADC 0809 8 bit.
IV.3.2.2
Prinsip kerja
Prinsip kerja sensor ini dalam mendeteksi jumlah larutan yang
terdapat pada tabung penampung dengan menggunakan hukum
ohm, R = ρ
l
, dimana R (satuan: Ohm) adalah hambatan dari
A
arus yang mengalir pada kawat, l (meter) adalah panjang dari
kawat besi yang dilewati oleh arus listrik dan A (meter2) adalah
luas penampang dari kawat besi.
Karena besarnya A dan ρ adalah konstan untuk masing-masing
panjang kawat maka dari itu nilai dari hambatan (R) hanya
akan tergantung dari panjang kawat besi yang dialiri oleh arus
listrik. Mengingat nilai ρ untuk kawat besi berada pada rentang
4,579 - 909 nΩ·m [10] maka dari itu perubahan R pada kawat
besi akan sangat kecil dan sulit untuk dideteksi. Untuk
mengatasi hal ini dialirkan arus ke kawat besi dan diamati
respon perubahan tegangan pada dua resistor yang dipasang
pada salah satu kawat besi yang terhubung dengan ground di
catu daya. Tanggapan variasi tegangan tersebut dijadikan
acuan dalam mendeteksi perubahan panjang kawat yang dialiri
oleh arus listrik.
30
Dalam kondisi tabung penampung kosong, artinya masingmasing kawat besi tidak terhubung antara satu sama lainnya,
maka nilai tegangan akan menunjukkan angka 0 Volt. Pada
saat tabung pencampur dialiri oleh larutan nutrisi, terdapat
perubahan ketinggian larutan yang mengenai kawat besi.
Larutan yang bersifat elektrolit berfungsi sebagai medium
untuk mengalirkan arus antar masing-masing kawat. Jika
ketinggian larutan yang ada pada tabung penampung berubah,
maka resisitivitas pada kawat yang dialiri arus juga akan
berubah sehingga tegangan yang masuk pada masing-masing
resistor yang dipasangpun ikut berubah. Dengan kata lain,
besarnya tegangan yang diterima oleh masing-masing resistor
mewakilkankan jumlah aliran larutan yang masuk ke tabung
penampang.
Gambar 4.6 Mekanisme perubahan resistivitas pada sensor ketinggian ketika
jumlah volume air yang berada pada sensor berbeda. (a) Arus mengalir
pada lintasan kawat l1 pada jumlah volume larutan V1. (b) Arus mengalir
pada lintasan kawat l2 pada jumlah volume larutan V2.
31
IV.3.3
Blok aktuator
Blok aktuator adalah bagian yang berfungsi untuk mengubah data-data
digital menjadi aksi mekanik. Aktuator yang digerakkan disini adalah
motor stepper dan kipas.
Gambar 4.7 Blok Aktuator
Pada blok aktuator ini komputer memiliki dua fungsi utama yaitu
untuk
mengirim
data
ke
mikrokontroller
dan
memrogram
mikrokontroller. Proses pengiriman data dilakukan melalui port serial
dan
berlangsung
dua
arah.
Sedangkan
proses
pemrograman
mikrokontroller dilakukan melalui jalur komunikasi parallel. Pada
sistem ini mikrokontroller yang digunakan berasal dari keluarga
MCS51 dengan jenis AT89S52. Mikrokontroller ini mempunyai
kemampuan serial downloading atau lebih dikenal dengan istilah In
System Programming (ISP) sehingga mikrokontroller langsung dapat
diprogram pada rangkaiannya tanpa harus mencabut IC untuk
diprogram.
Untuk menggerakkan motor stepper, mikrokontroller akan terlebih
dahulu mengirimkan datanya ke driver motor stepper. Driver motor ini
berfungsi sebagai antarmuka antara blok mikrokontroller dan blok
32
aktuator untuk meaktifkan motor stepper berapa yang akan diaktifkan.
Komunikasi driver motor dan motor stepper melalui port parallel.
Pengontrolan untuk kipas dilakukan secara on-off yang melibatkan
relay dan penguat arus. Rangkaian on-off ini beroperasi sesuai
instruksi
yang
diberikan
oleh
mikrokontroller.
Instruksi
itu
disampaikan melalui bentuk tegangan logic (high atau low). Kipas
yang digunakan pada sistem adalah kipas dc yang digerakkan dengan
tegangan sebesar 12 Volt. Bentuk kipas mirip dengan mixer untuk
mencampur makanan (baking mixer). Kipas ini juga berbahan dari
stainless steal yang memiliki kapasitas sampai 10 liter larutan dengan
kecepatan dapat diatur hingga mencapai 1100 rpm
33
TOMBOL
2
1
CONN-H2
R5
10k
C7
1nF
R2
10k
DOWNLOADER
5
4
3
2
1
CONN-H5
C5
1nF
C6
1nF
1
2
R1
10k
19
18
9
29
30
31
1
2
3
4
5
6
7
8
XTAL1
MIKRO
XTAL2
RST
PSEN
ALE
EA
P1.0/T2
P1.1/T2EX
P1.2
P1.3
P1.4
P1.5
P1.6
P1.7
P0.0/AD0
P0.1/AD1
P0.2/AD2
P0.3/AD3
P0.4/AD4
P0.5/AD5
P0.6/AD6
P0.7/AD7
P2.0/A8
P2.1/A9
P2.2/A10
P2.3/A11
P2.4/A12
P2.5/A13
P2.6/A14
P2.7/A15
P3.0/RXD
P3.1/TXD
P3.2/INT0
P3.3/INT1
P3.4/T0
P3.5/T1
P3.6/WR
P3.7/RD
39
38
37
36
35
34
33
32
21
22
23
24
25
26
27
28
10
11
12
13
14
15
16
17
I/03
CONN-SIL8
I/O2
CONN-SIL8
R4
1
2
3
4
5
6
7
8
R3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
D1
10k
D2
LED
10k
LED
RP1
RESPACK-8
11
12
10
9
C3
1nF
C1+
1
T1OUT
R1IN
T2OUT
R2IN
C1-
3
C2+
5
C2-
VS+
VS-
T1IN
R1OUT
T2IN
R2OUT
C2
4
1nF
MAX232
14
13
7
8
2
6
MAX232
1nF
C1
1nF
C4
1
6
2
7
3
8
4
9
5
1
6
2
7
3
8
4
9
5
WRITE
CONN-D9M
READ
CONN-D9F
Gambar 4.8 Rangkaian blok kontrol [2]
34
POWER
CRYSTAL
X1
CONN-H2
I/01
5
4
3
2
1
CONN-H5
AT89C55
1
2
3
4
5
6
7
8
Gamb
bar 4.9 Rangkaaian Driver Mootor Stepper [22]
35
IV.4
Desain Perangkat Lunak
IV.4.1
Diagram konteks
Diagram konteks pada gambar 4.11 memperlihatkan bahwa sistem
kontrol nutrisi tumbuhan terhubung dengan dua entitas utama, yaitu
pengguna dan plant (lingkungan). Entitas pertama, pengguna memilki
kemampuan untuk memerintahkan aksi kepada sistem. Aksi tersebut
berupa pengaturan domain dan aturan fuzzi serta setting jumlah
volume larutan yang hendak dialirkan. Umpan balik sistem ke
pengguna berupa tampilan data selama proses berlangsung. Entitas
kedua adalah plant, dalam entitas ini terdapat dua bagian utama yaitu,
bagian motor stepper dan bagian sensor. Sensor bertugas untuk
memberikan data volume dari larutan yang masuk ke tabung
pencampur sedangkan motor stepper berfungsi mengatur besar dan
lamanya valve pada masing-masing tabung sesuai dengan hasil olahan
yang diberikan oleh sistem.
Gambar 4.10 Diagram konteks sistem
36
IV.4.2
Diagram Aliran Data Level 0
Diagram Aliran Data (DAD) level 0 adalah diagram aliran data yang
mengalirkan data antar bagian yang satu dengan bagian yang lainnya.
Gambar 4.11 Diagram Aliran Data Level 0
Input data adalah bagian dalam proses pengontrolan yang melakukan
pembuatan domain dan aturan fuzzi, bagian untuk pengambilan data
dari plant melalui sensor ketinggian dan bagian dalam menerima
perintah langsung dari pengguna. Bagian ini juga memberikan
perintah untuk mengalirkan volume larutan yang akan di lakukan
proses pendahuluan terlebih dahulu untuk masuk ke proses fuzzi. Pada
bagian pembuatan domain dan aturan fuzzi, semua data direkam dan
sewaktu-waktu dapat dipanggil kembali jika diperlukan.
Proses kedua adalah proses logika fuzzi. Proses ini berlangsung di
komputer. Jumlah volume yang masuk dijadikan input untuk proses
fuzzi. Hasil keluran dari proses fuzzi berupa berapa banyak langkah
dari motor stepper membuka. Keluaran ini kemudian dikonversikan
37
nilainya ke dalam nilai yang dapat dikenali oleh aktuator di paska
proses.
Hasil
dari
paska
proses
akan
dikirimkan
nilai
ke
mikrokontroller.
Output yang keluar dari paska proses akan masuk ke proses 3, yaitu
mikrokontroller. Pada proses ini, mikrokontroller akan menunggu
perintah dari komputer. Perintah yang dibaca oleh mikrokontroller
akan dilanjutkan untuk menjalankan blok aktuator yang ada pada
plant. Pada bagian proses 3 ini juga mikrokontroller menerima data
dari plant berupa data banyaknya volume, data tersebut dikirimkan
sebagai umpan balik ke proses 1.
Tampilan merupakan indikator dari keberjalanan proses kontrol
nutrisi. Tampilan berperan menampilkan keseluruhan proses. Proses
yang ditampilkan diantaranya, domain, aturan rule(s) fuzzi, kumpulan
data kebutuhan nutrisi, juga informasi dari data pengontrolan
ketinggian nutrisi yang masuk ke dalam tabung pencampur. Semua
informasi yang diberikan terekam dalam suatu data dan dapat
dipanggil kapan saja oleh pengguna.
IV.4.3
Diagram aliran data level 1 proses 1 (input data)
DAD level 1 proses 1 merupakan penjabaran lebih detail untuk bagian
input data pada proses 1 di DAD level 0. Proses input terdiri dari dua
proses utama yaitu pengisian domain-aturan fuzzi, dan setting aliran
volume oleh pengguna.
38
Semua data domain-aturan yang pengguna masukkan ke dalam sistem
akan disimpan dalam suatu kumpulan data yang sewaktu-waktu dapat
pengguna panggil kembali. Kumpulan data ini unik untuk jenis
tumbuhan tertentu, oleh karenanya domain & aturan yang disetting
perlu disesuaikan dengan kebutuhan nutrisi yang diperlukan oleh
tumbuhan (tabel 2.1 dan tabel 2.2). Pada proses 1 ini pengguna dapat
menentukan setting volume dari larutan yang masuk ke dalam tabung
pencampur. Volume larutan yang masuk berasal dari proses 3, yaitu
mikrokontroller. Data nilai dari domain dan aturan serta volume akan
diolah di proses 2.
Gambar 4.12 Diagram Alir Data Level 1 Proses 1 (Input Data)
IV.4.4
Diagram aliran data level 1 proses 2 (logika fuzzi)
Pada proses 2, logika fuzzi, proses dimulai dengan proses pendahuluan
Pada proses ini volume yang masuk ke dalam tabung pencampur
dijadikan sebagai input fuzzi.
39
Gambar 4.13 Diagram Alir Data Level 2 Proses 2
Proses selanjutnya adalah proses fuzzifikasi dari nilai jumlah volume
yang masuk ke proses pada proses pendahuluan dan nilai dari domain
input untuk menghitung nilai dari derajat keanggotaan masing-masing
input pada variabel besar volume. Apabila nilai input volume tidak
temasuk ke dalam himpunan tertentu, maka derajat keanggotaannya
akan bernilai satu.
Proses 2.2 implikasi menggunakan data aturan yang dibuat oleh
pengguna, dari proses fuzzifikasi proses implikasi dapat menentukan
batasan nilai yang harus diberikan pada output fuzzi. Proses ini
40
dilakukan sebanyak jumlah aturan yang dibuat. Dengan kata lain untuk
satu aturan akan dihasilkan satu nilai. Proses implikasi akan
mempunyai nilai apabila aturan yang dievaluasi cocok. Sebaliknya
proses akan bernilai nol apabila aturan yang dievaluasi tidak cocok.
Untuk proses 2.3 agregasi, referensi awal digunakan nilai dari domain
output. Proses ini melakukan evaluasi terhadap setiap titik pada
variabel output fuzzi dalam selang tertentu tergantung dari jangkauan
domain output yang digunakan dan menyimpan derajat keanggotaan
paling tinggi (maximum) dari setiap titik tersebut.
Proses 2.4, defuzzifikasi menggunakan data keluaran hasil proses 2.3,
untuk menentukan nilai tegas (crisp) dari komputasi logika fuzzi.
Proses ini dilakukan dengan menggunakan metode pusat massa
(centroid) secara diskrit. Nilai keluaran dari defuzzifikasi akan
diberikan pada paska proses untuk disesuaikan nilainya dengan
kebutuhan aktuator.
IV.4.5
Diagram aliran data level 1 proses 3 (mikrokontroler)
DAD level 1 proses 3 dimulai dengan pengiriman data dari sensor
volume ke mikrokontroller. Bagian ADC yaitu proses 3.1 akan
membaca nilai tegangan yang masuk dan akan mengkonversikannya
ke dalam digit biner. Data digit biner kemudian masuk ke dalam
proses 3.2 untuk dikirimkan ke komputer.
41
Gambar 4.14 Data Alir Diagram Level 1 Proses 3
(Mikrokontroler)
Pada proses selanjutnya, data bertipe karakter yang diterika oleh
komputer dan diolah untuk dikirimkan kembali ke mikrokontroller
sebagai perintah menggerakkan motor stepper dan kipas.
42