Upload
buinguyet
View
220
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
8
Bab II Teori Pendukung
II.1 Jaringan Sensor Nirkabel
II.1.1 Definisi
Jaringan sensor nirkabel (JSN) adalah suatu sistem terpadu yang terdiri dari
sekelompok node / modul sensor yang terdistribusi dan terhubung secara nirkabel
pada suatu topologi jaringan dan berfungsi untuk mengekstrak dan berbagi
informasi untuk diolah sesuai bidang aplikasinya [3]. Sistem ini termasuk ke
dalam Low-rate Wireless Personal Area Networks karena bitrate rendah dan tidak
memerlukan jarak komunikasi yang jauh. Node sensor sebagai pembangun
jaringan, terdiri dari 4 bagian utama, yaitu sensor untuk mendeteksi dan mengukur
parameter-parameter aplikatif, prosesor pengolah data menjadi informasi,
komunikasi / transceiver sebagai media pengiriman data, dan manajemen daya
untuk menjamin keseluruhan sistem dapat berjalan dengan optimal. Sistem
jaringan sensor nirkabel memiliki ciri-ciri sebagai berikut:
• Berdaya dan biaya rendah, dimensi kecil, dan node sensor yang banyak
• Komunikasi rentang pendek, bersifat broadcast dan multi-hop routing
• Pengaturan jaringan mandiri (Network Self-organization and maintenance)
terhadap perubahan topologi jaringan
Meskipun termasuk ke dalam kelas jaringan ad-hoc, namun jaringan sensor
nirkabel memiliki perbedaan yang tidak dimiliki oleh jaringan ad-hoc biasa [4],
antara lain:
• Aktivitas sensing dengan jumlah node sensor yang banyak
• Data-rate rendah
• Duty-cyle rendah
Aplikasi jaringan sensor nirkabel sangat bervariasi, dari pengolahan aset pada
industri, object tracking pada militer, pengamatan kesehatan, hingga sistem
pertanian presisi. Contoh aplikasi jaringan sensor nirkabel pada pertanian presisi
adalah penggunaan sensor curah hujan untuk mengatur irigasi pada lahan
pertanian. Pada pertanian, mengetahui daerah dengan kadar air yang berbeda akan
sangat penting dalam menentukan daerah irigasi. Dengan distribusi sensor curah
9
hujan secara merata pada areal pertanian, maka proses irigasi dapat dilakukan
dengan efektif. Jumlah data yang dikirim oleh tiap sensor pun tidak besar dan
memiliki message latency dalam orde menit. Sehingga konsumsi daya akan sangat
rendah dan biaya operasional pun dapat ditekan [5]. Gambar II.1 di bawah ini
adalah roadmap aplikasi teknologi jaringan sensor nirkabel berdasarkan
permintaan konsumen.
Gambar II.1. Perkembangan pasar jaringan sensor nirkabel [3].
Terdapat 2 macam topologi jaringan sensor nirkabel, yaitu cluster-type dan flat-
type. Topologi Jaringan Cluster dapat dilihat pada Gambar II.2 di bawah ini. Pada
topologi ini, node-node sensor diatur dalam susunan secara hierarki sehingga
terdapat 3 macam node, yaitu child node, cluster head, dan parent node. Cluster
head berfungsi sebagai pengatur beberapa child node dalam aplikasinya. Beberapa
cluster head menjadi anggota dari sebuah parent node. Sedangkan untuk topologi
jaringan flat, seperti dapat dilihat pada Gambar II.3 di bawah ini, hanya terdapat 2
macam node secara fungsional, yaitu sensor / source node dan sink node. Semua
sensor node dalam sistem mengirim data ke satu tujuan akhir, yaitu sink node.
Proses pertukaran data dilakukan secara nirkabel pada frekuensi 433 MHz.
Frekuensi ini dipilih karena merupakan salah satu alokasi frekuensi bebas pada
ISM Bands. Alokasi frekuensi ISM lain yang tersedia adalah 315, 868, 915, dan
2400 MHz.
10
Gambar II.2. Topologi jaringan cluster-type [3].
Gambar II.3. Topologi jaringan flat-type [3].
II.1.2 Protokol Komunikasi
Jaringan sensor nirkabel memiliki protokol komunikasi yang meliputi segala
aspek sistem dari level perangkat keras hingga perangkat lunak. Protokol ini
dimaksudkan untuk menjamin sistem dapat bekerja dengan optimal. Protocol
Stack ini terdiri dari 5 layer yaitu Physical, Data link, Network, Transport, dan
Application. Berikut adalah penjelasan singkatnya.
1. Physical Layer
Layer ini terkait dengan perangkat keras yang digunakan. Beberapa
pengaturan yang dilakukan di layer ini adalah:
• Pemilihan frekuensi dan jenis modulasi
• Optimasi teknik transmisi dan penerimaan data
11
• Deteksi sinyal dan enkripsi data
• Efisiensi daya pada desain perangkat keras
2. Data link Layer
Layer ini terkait dengan MAC yang digunakan pada sistem. Tugas utama dari
layer ini adalah untuk menjamin dilakukannya pertukaran data antar node
sensor yang hemat daya, bebas derau, dan terhindar dari tabrakan data masuk
– keluar antar node. Secara umum, layer inilah yang membentuk infrastruktur
jaringan antar node sensor yang berkaitan.
3. Network Layer
Layer ini bertanggung jawab pada routing data dari sensor ke sensor lainnya
[3]. Fungsi self–organizing pada jaringan sensor nirkabel terletak pada
algoritma penelusuran data dari asal node ke node tujuan. Algoritma ini juga
yang akan menentukan ada tidaknya perubahan topologi jaringan.
4. Transport Layer
Layer ini berfungsi untuk menjaga arus pertukaran data. Penelitian di layer ini
belum terlalu banyak diminati.
5. Application Layer
Pada layer ini, pengaturan lebih lanjut dilakukan terkait dengan proses
aggregasi dan disseminasi data dalam jaringan sensor. Penelitian di layer ini
juga belum terlalu banyak diminati.
II.1.3 Perkembangan Teknologi
Proses penelitian dan pengembangan jaringan sensor sebenarnya sudah dilakukan
sejak tahun 1955 pada Program Sound Surveillance System (SOSUS). Menyusul
kemudian Program Distributed Sensor Network (DSN) pada tahun 1980. Namun
sejak 1955 hingga 1999, proses pengembangan ini hanya dilakukan dan
didominasi oleh pihak militer. Progam SOSUS misalnya, dilakukan dengan
mendistribusikan sensor akustik di dasar lautan untuk mendeteksi pergerakan
kapal selam milik Uni Soviet [3]. Sejarah perkembangan penelitian jaringan
sensor nirkabel dapat dilihat pada Gambar II.4 di bawah ini.
12
Gambar II.4. Sejarah pengembangan jaringan sensor nirkabel [3].
Pengembangan oleh pihak komersial dan umum baru dilakukan pada tahun 1999
dengan dimulainya program Smart Dust oleh UC Berkeley [3]. Langkah ini
kemudian diikuti oleh MIT dengan Program μAMPS di tahun yang sama dan oleh
Intel dengan Program Mote di tahun 2000. Pada tahun 2002, Intel bekerja sama
dengan UC Berkeley pada Program Habitat Monitoring – Great Duck Island
sebagai lanjutan penelitian program sebelumnya yaitu Smart Dust dan Intel Mote.
Penelitian jaringan sensor nirkabel yang berkembang dewasa ini menggunakan
pendekatan layer protokol (protocol stack). Pada layer physical, bidang yang
masih banyak diteliti adalah teknik untuk mendapatkan sistem dengan efisiensi
energi yang tinggi, terutama pada desain sensing unit, pengolah data, dan
transceiver [3]. Sedangkan pada layer data link, penelitian lebih banyak berkisar
pada desain protokol MAC dengan efisiensi energi yang tinggi. Beberapa desain
protokol MAC yang telah dikembangkan di seluruh dunia antara lain:
• Sensor-MAC (S-MAC) [6].
• Energi-efficient MAC (E-MACs) [7].
• Traffic-aware Energi Efficient MAC (TEEM) [8].
• Timeout MAC (T-MAC) [9].
• Berkeley MAC (B-MAC) [10].
• Gateway MAC (G-MAC) [11].
13
Terdapat 2 macam desain protokol MAC, yaitu TDMA-based dan Contention-
based. Secara umum, tujuan protokol MAC adalah untuk menghasilkan efisiensi
sistem yang tinggi. Teknik ini ditempuh dengan cara modifikasi sleep mode dari
prosesor pengolah data dan pengaturan siklus kerja (duty cycle) dari waktu
transmisi data oleh transceiver. Bidang lain yang juga diteliti pada layer data link
ini adalah tentang error control coding schemes [3]. Perkembangan penelitian di
layer network berkisar pada penelusuran algoritma routing data yang lebih
kompleks dan efektif dalam menangani perubahan topologi jaringan yang cepat
serta faktor skalabilitas. Seiring dengan perkembangan penelitian di bidang
jaringan sensor nirkabel, maka beberapa hal akan menjadi tren pasar JSN di
tahun-tahun mendatang, antara lain:
- Sensor-sensor dengan ukuran yang semakin kecil dan semakin variatif
- Kemampuan pengolahan data yang semakin baik dalam sistem embedid
- Lebar kanal komunikasi (bandwidth) yang semakin besar dan ukuran
transceiver yang semakin kecil
- Modul yang terintegrasi antara fungsi sensing, pengolahan data, dan
komunikasi
- Catu daya berbasis panel sel surya sebagai bentuk konservasi energi
- Aplikasi JSN yang semakin bertambah seiring kebutuhan manusia akan
informasi.
II.1.4 Layer Physical
Pada level perangkat keras, tiap node sensor pada topologi di atas, memiliki
konfigurasi umum seperti dapat dilihat pada Gambar II.5 di bawah ini, yaitu
terdiri dari (1) sensing unit, (2) prosesor pengolah data, (3) transceiver untuk
komunikasi, (4) bagian catu daya, dan (5) bagian-bagian tambahan seperti
aktuator dan GPS. Node sensor ini melakukan beberapa fungsi umum [1] seperti:
• ekstraksi data fisik dari lingkungan
• pengolahan data awal dan penyimpanan sementara
• transmisi data secara nirkabel ke node lain
• sebagai node relay dalam komunikasi multi-hop.
14
Gambar II.5. Blok diagram perangkat keras node sensor [3].
II.1.5 Layer Data Link
Pada layer ini, terdapat protokol MAC yang bertugas untuk mengatur komunikasi
data antara node asal dengan node tujuan. Parameter-parameter utama dalam
protokol MAC adalah:
- Efisiensi energi.
- Skalabilitas.
- Collision avoidance
Secara umum, terdapat 2 macam protokol MAC, yaitu berbasis TDMA dan
contention-based. Pada basis TDMA, pertukaran data antar node dalam jaringan
diatur berdasarkan slot-slot waktu yang disepakati bersama. Sedangkan pada
contention-based, node-node yang ingin bertukar data harus berebutan untuk
mendapatkan medium. Basis TDMA memiliki keuntungan dalam collision
avoidance, namun memiliki kekurangan dalam skalabilitas. Sedangkan pada
contention-based, skalabilitas adalah keuntungan utamanya, namun protokol ini
masih kurang baik dalam efisiensi energi dan collision avoidance.
Pemilihan protokol MAC didasarkan pada aplikasi dan topologi jaringan. Protokol
TDMA biasa digunakan pada topologi tipe klaster sedangkan protokol contention-
based pada topologi flat. Contoh protokol berbasis TDMA adalah E-MAC [7],
dan contoh protokol contention-based adalah S-MAC [6]. Berikut penjelasan
singkatnya.
15
Gambar II.6. Protokol E-MAC [7].
Protokol E-MAC terdiri dari frame, timeslot, dan section. Pada frame, terjadi
pengaturan pertukaran data dan 1 frame terdiri dari beberapa timeslot.Pada
timeslot terjadi pembagian tugas tiap node dan 1 slot terdiri dari beberapa section.
Pada section adalah pengaturan proses komunikasi yang terdiri dari CR (request
transmission), TC (traffic control), dan paket data. Protokol ini diilustrasikan pada
Gambar II.6 di atas.
Gambar II.7. Protokol S-MAC [6].
Pada protokol Sensor-MAC (S-MAC), terdapat 3 bagian pengaturan, yaitu
sinkronisasi waktu dengar/tidur antar node dengan paket SYNC, perebutan
medium oleh node yang aktif melalui CS (Carrier Sense), dan proses komunikasi
data dengan skema RTS/CTS/DATA/ACK. Protokol ini diilustrasikan pada
Gambar II.7 di atas.
16
II.2 Teknik Modulasi Digital
Modulasi adalah proses pengubahan parameter gelombang pembawa oleh sumber
informasi, dalam hal ini data digital. Modulasi didapat dengan mengatur
karakteristik fisik dari sinyal pembawa, baik frekuensi, fasa, amplituda, maupun
kombinasinya. Sedangkan demodulasi adalah pengambilan informasi pita dasar
dari gelombang pembawa sehingga bisa diproses dan diinterpretasi oleh penerima
yang sesuai [13]. Pada sistem riil, sistem komunikasi membutuhkan modulator
pada ujung pemancar dan demodulator pada ujung penerima.
Tujuan utama sistem komunikasi digital adalah untuk mengirim data digital antar
dua atau lebih node [18]. Sistem komunikasi digital memiliki beberapa
keuntungan daripada sistem analog, yaitu:
- Kapasitas dan kualitas informasi
- Keamanan data
- Kompatibilitas dengan perangkat digital lain
Terdapat 2 kategori skema modulasi digital. Kategori pertama adalah dengan
menggunakan sinyal pembawa beramplituda konstan, dan informasi divariasikan
pada frekuensi dan fasanya (FSK, PSK). Kategori kedua adalah dengan
menggunakan informasi pada variasi amplituda sinyal pembawa (ASK) [18].
Dalam perancangan sistem komunikasi digital, ada 3 parameter yang dijadikan
pertimbangan unjuk kerja [17], yaitu
- Efisiensi Lebar kanal (bandwidth)
Dapat diartikan sebagai kemampuan untuk mengakomodasi data dengan
kecepatan transfer dan performansi BER tertentu pada lebar kanal yang
terbatas.
- Efisiensi Daya
Dapat diartikan sebagai kemampuan dari teknik modulasi untuk menjaga
keutuhan data digital pada level daya tertentu, atau penambahan daya yang
dibutuhkan untuk mencapai level BER tertentu.
17
- Biaya
Parameter biaya menjadi penting jika terkait dengan sistem komunikasi masal
seperti sistem telepon selular.
Frequency Shift Keying (FSK)
Dua level biner, logika 0 (low) and 1 (high), direpresentasikan dengan gelombang
sinyal analog. Representasi masing-masing logika dilakukan dengan menggeser
frekuensi berbeda pada deviasi tertentu berdasarkan data binernya, dan dengan
amplituda sinyal yang tetap [18]. Ekspresi analitik umum dari FSK adalah:
( ) cos(2 )('1')('0 ')
FSK b
b c
b c
S t A f tf f ff f f
π=→ +Δ
→ −Δ (II.1)
dengan ƒc adalah frekuensi tengah.
Kelebihan dari FSK adalah kesederhanaan dalam modulasi dan demodulasi akibat
amplituda sinyal yang konstan sehingga dapat menggunakan penguat daya non-
linier. Sedangkan kekurangannya adalah pada efisiensi lebar kanal dan
performansi BER [18]. Skema modulasi ini diilustrasikan pada Gambar II.8 di
bawah ini.
Gambar II.8. Skema modulasi FSK [18].
18
II.3 Sensor dan Pengondisi Sinyal
Sensor berfungsi untuk memperoleh data masukan sistem yang berasal dari
fenomena-fenomena fisik alam seperti suhu, kelembaban, tekanan, dan lain-lain.
Sensor kemudian mengubah besaran fisik tersebut menjadi besaran listrik.
Besaran listrik ini terkadang dapat langsung diartikan sebagai informasi, namun
terkadang memerlukan rangkaian pengondisi sinyal terlebih dahulu. Pada bagian
ini, akan dijelaskan tentang sensor tekanan, sensor temperatur, sensor
kelembaban, dan komponen pengondisi sinyal seperti penguat operasional dan
pembangkit frekuensi.
II.3.1 Sensor Tekanan Sensor tekanan adalah devais yang berfungsi mengkonversi perubahan tekanan
menjadi suatu besaran listrik. Prinsip kerja yang digunakan ada beberapa macam,
diantaranya yaitu piezoelektrik, kapasitif, dan piezoresistif. Pada sensor
piezoelektrik, konduktivitas bahan piezoelektrik berubah terhadap perubahan
tegangan atau regangan yang dimanfaatkan untuk mengindera tekanan. Sensor
kapasitif berupa suatu struktur kapasitor variabel dengan perubahan jarak antar
pelat yang berubah sesuai perubahan tekanan. Pada sensor tipe piezoresistif,
resistansi bahan berubah terhadap perubahan tegangan atau regangan yang
dimanfaatkan untuk mengindera tekanan [14].
Berdasarkan referensinya, sensor tekanan dibedakan menjadi sensor tekanan
diferensial dan absolut. Sensor tekanan diferensial mengukur beda tekanan antara
dua ruangan. Sedangkan sensor tekanan absolut adalah sensor tekanan diferensial
yang salah satu ruangan yang terukur dibuat tetap, yang disebut sebagai ruang
referensi tekanan [14]. Pada bagian ini, akan dijelaskan sensor tekanan abosolut
tipe piezoresistif. Struktur dan prinsip kerja sensor tekanan piezoresistif dapat
dilihat pada Gambar II.9 di bawah ini.
Terjadinya beda tekanan pada kedua sisi akan menyebabkan membran tertekan ke
arah sisi dengan tekanan yang lebih rendah, bersamaan dengan terjadinya stress
dan strain pada seluruh bagian membran. Strain ini akan diindera oleh resistor-
19
resistor yang bersifat piezoresistif dan menyebabkan perubahan nilai
resistansinya. Dengan konfigurasi jembatan wheatstone, perubahan resistansi
tersebut diubah menjadi keluaran tegangan [14].
Gambar II.9. Struktur sensor tekanan abosolut piezoresistif [14].
Salah satu contoh sensor tekanan abosolut tipe piezoresistif adalah sensor ASDX-
015A24R buatan Sensym. Bentuk fisik dan konfigurasi pin sensor ini dapat dilihat
pada Gambar II.10 di bawah ini. Sensor ini merupakan integrasi sensor
piezoresistif dan rangkaian elektronik digital berbasis mikrokontroler. Blok
diagram sensor ini dapat dilihat pada Gambar II.11.
Gambar II.10. Sensor tekanan ASDX-015A24R.
Beberapa spesifikasi teknis dari sensor ini adalah sebagai berikut
• Rentang pengukuran: 0 – 15 PSI (1034 mbar)
• Tegangan keluaran: 0,5 – 4,5 V
• Konsumsi arus: 6 mA
• Waktu respon: 8 ms
• Akurasi: 2%
• Step kuantisasi: 3 mV
20
Gambar II.11. Blok diagram sensor tekanan ASDX-015A24R.
II.3.2 Sensor Temperatur
Sensor temperatur berfungsi untuk memperoleh data perubahan suhu sekitar dan
diubah dalam bentuk besaran listrik seperti resistansi, tegangan dan arus listrik.
Klasifikasi sensor temperatur didasarkan atas rentang temperatur, sensitivitas, dan
linieritasnya. Berdasarkan ketiga variabel tersebut, ada beberapa jenis sensor
temperatur, diantaranya yang akan dibahas adalah Thermistor, RTD (Resistance
Thermal Detector), dan Termokopel. Pada bagian ini, akan dijelaskan lebih rinci
mengenai sensor temperatur jenis RTD dan contoh komponen riilnya.
RTD (Resistance Thermal Detector)
RTD (Resistance Thermal Detector) adalah resistor yang digunakan sebagai
sensor temperatur yang terbuat dari logam. Logam yang sering digunakan sebagai
RTD adalah platinum karena memiliki stabilitas dan resistansi terhadap bahan
kimia yang tinggi. Beberapa logam lain juga digunakan untuk RTD, antara lain
tembaga, tungsten dan nikel [15].
RTD memiliki koefisien temperatur positif sehingga kenaikan suhu disertai
dengan kenaikan resistansi RTD. Kelebihan RTD adalah respon resistansi yang
lebih linier daripada thermistor, namun rentang temperaturnya lebih kecil
daripada thermistor. Hubungan antara resistansi dan temperatur pada RTD
dituliskan dalam persamaan II.2 di bawah ini.
RT = R0.(1+α.T) (II.2)
dengan R0 adalah resistansi RTD saat 00C dan α adalah koefisien temperatur RTD
[15]. Kurva karakteristik RTD dapat dilihat pada Gambar II.12 di bawah ini.
21
Gambar II.12. Kurva karakteristik RTD [15].
Sensor Temperatur LM35
Sensor temperatur LM35 buatan National Semiconductor adalah sensor
temperature dengan tipe RTD. Sensor ini memiliki tegangan keluaran yang
proposional linear terhadap suhu dalam Celcius. Sensor LM35 tidak memerlukan
kalibrasi tambahan untuk menghasilkan akurasi data sebesar 0.5°C pada suhu
ruangan. Hal-hal ini menyebabkan sensor ini tidak memerlukan rangkaian
pengondisi yang rumit. Arus yang dikonsumsi dari catu hanya sebesar 60 μA
sehingga sensor ini memiliki efek pemanasan diri (self-heating)yang kecil. Sensor
LM35 memiliki faktor skala linear +10,0 mV/°C dan kemasan TO-92 seperti
dapat dilihat pada Gambar II.13 di bawah ini.
(a) (b)
Gambar II.13. Sensor temperatur LM35.
22
II.3.3 Sensor Kelembaban
Kelembaban Relatif (relative humidity – RH) merupakan perbandingan antara
tekanan uap air aktual pada suatu volume udara dan temperatur tertentu dan
tekanan uap air jenuh pada kondisi yang sama. Parameter ini dapat dinyatakan
dalam suatu persamaan II.3 sebagai berikut:
tekanan uap air aktual RH (%) = -------------------------------- x 100% (II.3)
tekanan uap air jenuh
Alat ukur kelembaban sederhana yang masih digunakan adalah wet-dry bulb. Alat
ini membandingkan antara titk embun dan temperatur aktual. Alat ini terdiri dari
dua buah termometer yang masing-masing dibungkus kapas pada ujungnya,
dengan salah satu termometer dibungkus dengan kapas basah (untuk memperoleh
titk embun), sedangkan satunya lagi kering (untuk mengukur temperatur aktual).
Perbedaan suhu kedua termometer ini dirujukkan pada tabel tertentu untuk
diperoleh nilai kelembaban udara aktual [16].
Alat ukur kelembaban yang populer adalah sensor yang dibuat dengan
memanfaatkan karakteristik elektrik bahan, seperti resistansi dan kapasitansi, yang
diolah menjadi keluaran tegangan, pembangkitan frekuensi yang sebanding
dengan perubahan kelembaban yang terukur [16]. Tipe sensor yang akan dibahas
adalah tipe kapasitif. Rumus yang menggambarkan prinsip kerja sensor
kelembaban tipe kapasitif adalah sebagai berikut.
0r ACd
ε ε⋅ ⋅= (II.4)
dengan keterangan sebagai berikut:
εr = Konstanta dielektrik relatif bahan
ε0 = Permitivitas ruang hampa (F/cm)
A = Luas permukaan kapasitor (cm2)
d = Jarak antar keping kapasitansi (cm)
Keberadaan uap air dengan εr = 78,3 pada bahan dielektrik dengan εr sekitar 3-10,
akan menimbulkan perubahan permitivitas bahan sehingga menyebabkan
perubahan kapasitansi. Salah satu contoh sensor kelembaban tipe kapasitif adalah
sensor HS1101 buatan Humirel seperti tampak pada Gambar II.14 di bawah ini.
23
d l
h
(a) (b)
Gambar II.14. Sensor kelembaban tipe kapasitif [16].
Beberapa spesifikasi teknis dari sensor ini adalah sebagai berikut
• Rentang pengukuran: 1 – 99 %RH
• Sensitivitas: 0,34 pF/%RH
• Deviasi terhadap kurva normal: +/- 2 %RH
• Waktu respon (33 ke76 %RH): 5 detik
• Koefisien temperatur: 0,04pF/°C
• Temperatur kerja: -40 – 100 °C
Sedangkan hubungan antara kelembaban relatif dan kapasitansi sensor dapat
dilihat pada Gambar II.15 dan persamaan II.5 di bawah ini. 7 3 5 2 3 1( ) 180 (1.25 10 1.36 10 2.19 10 9.0 10 )C pF RH RH RH− − − −= × ⋅ − ⋅ + ⋅ + ⋅ (II.5)
Gambar II.15. Hubungan kapasitansi dan kelembaban relatif.
24
II.3.4 Penguat Operasional
Penguatan sinyal adalah salah satu proses yang dilakukan pada rangkaian
pengkondisi pada umumnya. Dalam aplikasi instrumentasi elektronika, penguat
operasional (op-amp) banyak sekali digunakan dalam berbagai bentuk rangkaian.
Macam-macam variasi rangkaian op-amp ini memberikan karakteristik dan
kegunaan yang bermacam-macam pula. Contoh berbagai rangkaian op-amp
adalah inverting, non-inverting, integrator, summing amplifier, hingga
comparator. Gambar II.16 di bawah adalah contoh rangkaian non-inverting.
Gambar II.16. Aplikasi penguat operasional konfigurasi non-inverting.
Salah satu contoh IC op-amp yang tersedia di pasaran adalah LM358 buatan
National Semiconductor. Op-amp ini adalah IC 8 pin yang terdiri dari 2 buah op-
amp di dalamnya (Dual Op-amp). Beberapa spesifikasi penting yang dimiliki oleh
op-amp jenis ini antara lain:
DC Gain: 100 dB
CMRR: 85 dB
PSRR: 100 dB
Konsumsi arus suplai: 0,5 – 1,2 mA
LM358 menggunakan 2 buah suplai tegangan, dengan beda suplai tegangan satu
dan yang kedua berkisar antara 3V sampai 26V. Dengan penguatan sebesar 100
dB, disipasi daya chip ini cukup kecil yaitu sekitar 830 mW. Op-amp LM358 ini
dapat bekerja dengan baik pada rentang suhu 0 – 700C dan disimpan pada suhu
penyimpanan -65 – 1500C. Contoh karakteristik op-amp berupa konsumsi arus
suplai dan penguatan dapat dilihat pada Gambar II.17 di bawah. Berdasarkan
25
grafik, dapat diketahui bahwa konsumsi arus suplai dipengaruhi oleh temperatur
kerja, dan penguatan op-amp bergantung juga pada tegangan suplai.
(a) Konsumsi arus suplai (b) Penguatan tegangan
Gambar II.17. Karakteristik LM358.
II.3.5 Pembangkit Frekuensi
Rangkaian pengondisi berupa pembangkit frekuensi juga banyak digunakan.
Prinsipnya adalah dengan membangkitkan pulsa dengan perioda yang dapat
diatur. Salah satu contoh rangkaian pembangkit frekuensi adalah multivibrator
astabil yang dapat dilihat pada Gambar II.18 di bawah ini.
Gambar II.18. Multivibrator astabil.
26
Terdapat 3 bagian utama dalam rangkaian di atas, yaitu R1, R2, dan R3 sebagai
penghasil tegangan 2/3Vcc dan 1/3Vcc, komparator dan RS flip-flop sebagai
pemicu saklar S1, dan RA, RB, dan C sebagai komponen kunci. Cara kerja
rangkaian adalah sebagai berikut.
1. Ketika S1 terbuka, kapasitor C diisi Vcc melalui RA dan RB mulai dari VC <
1/3Vcc (Q = 0) hingga 1/3Vcc < VC < 2/3Vcc (Q = Q’). Waktu pengisian
adalah 0,693·( RA + RB)·C.
2. Ketika VC > 2/3Vcc (Q = 1), S1 terpacu untuk tertutup dan terjadi
pengosongan kapasitor C hingga VC < 1/3Vcc (Q = 0 kembali). Waktu
pengosongan adalah 0,693· RB ·C.
3. Siklus berulang-ulang sehingga dihasilkan gelombang pulsa dengan:
Thigh = 0,693·( RA + RB)·C dan Tlow = 0,693· RB ·C
Frekuensi pulsa = 1 / (0,693·( RA +2 RB)·C)
(a) Skema internal (b) Aplikasi sensor
Gambar II.19. IC TLC555.
Salah satu IC yang dapat digunakan sebagai pembangkit frekuensi adalah
TLC555. Skema internal IC ini, seperti tampak pada Gambar II.19 (a) di atas,
merupakan rangkaian multivibrator. Aplikasi rangkaian pembangkit frekuensi
adalah sebagai pengondisi sinyal untuk sensor kapasitif, seperti sensor
kelembaban HS1101 pada Gambar II.19 (b) di atas. Sehingga berdasarkan
rangkaian multivibrator astabil di atas, komponen penting pada rangkaian Gambar
II.19 (b) adalah R2, R4, dan sensor HS1101 itu sendiri sebagai kapasitor.
27
II.4 Pengolah Data Berbasis Mikrokontroler
Mikrokontroler merupakan komponen utama dari sistem pengolahan data.
Terdapat berbagai jenis mikrokontroler dengan karakteristik dan kegunaan yang
berbeda-beda. Dalam desain sistem yang menggunakan mikrokontroler, pemilihan
jenis mikrokontroler harus disesuaikan dengan spesifikasi dan kebutuhan sistem.
Salah satu contoh mikrokontroler yang sering digunakan dan akan dibahas pada
bagian ini adalah ATMega128.
Mikrokontroler ATMega128 adalah sebuah mikrokontroler CMOS 8-bit berdaya
rendah yang berdasarkan arsitektur AVR RISC dan memiliki kemampuan
mengeksekusi instruksi-instruksi dalam satu siklus clock. Mikrokontroler
ATMega128 merupakan mikrokontroler buatan Atmel Corporation yang memiliki
64 pin dengan catu daya tunggal 4,5 – 5,5 volt. Konfigurasi pin ATMega128
dapat dilihat pada Gambar II.20 di bawah ini.
Gambar II.20. Konfigurasi pin mikrokontroler ATMega128.
28
Mikrokontroler ATMega128 ini memiliki fitur-fitur sebagai berikut:
128 Kbyte In-System Programmable Flash
4 Kbyte EEPROM
4 Kbyte SRAM internal
Konverter A/D 10-bit 8 kanal
Pewaktu / pencacah 8-bit 2 kanal, 16-bit 2 kanal
Interupsi internal dan eksternal
Dual Programmable USART
Master/slave SPI serial interface
Arsitektur mikrokontroler AVR RISC ATMega128 ditunjukkan pada Gambar
II.21 di bawah ini.
Gambar II.21. Arsitektur mikrokontroler ATMega128.
29
Bagian dan fitur ATMega128 yang dibahas pada tesis ini adalah ADC, Pewaktu /
ICP, dan USART, karena terkait dengan tesis yang dilakukan.
Analog to Digital Converter
Kelebihan ATMega128 dalam hal Konverter A/D adalah memiliki 8 kanal
masukan ADC yang terhubung ke 10-bit successive-approximation ADC. Ciri-ciri
utama dari Konverter A/D ATMega128 adalah:
• Non-linieritas integral sebesar 0,5 LSB
• Akurasi absolut +/- 2 LSB
• Waktu konversi 13 – 260 µs
• ADC Conversion Complete Interrupt
• Free running or single conversion mode
• Sleep mode noise canceller
Pewaktu dan ICP
Kelebihan ATMega128 adalah memiliki 2 kanal pewaktu 8-bit (Timer-0 dan
Timer-2) dan 2 kanal pewaktu 16-bit (Timer-1 dan Timer-3). Ciri-ciri utama dari
pewaktu ATMega128 adalah:
• Pin input capture (ICP) dengan noise canceller
• Pulse Width Modulation dan Output Compare Match
• 10-bit clock prescaler
USART
Kelebihan ATMega128 adalah memiliki 2 kanal USART full duplex dengan
register pengirim dan penerima yang terpisah. Ciri-ciri utama dari USART
ATMega128 adalah:
• Operasi sinkron dan asinkron
• Baud rate tinggi dengan frekuensi XTAL rendah
• Menapis Noise (Noise Filtering)
• 3 macam interupsi terpisah
30
II.5 Regulator Tegangan
Untuk dapat menjalankan fungsinya, tiap peralatan elektronik memerlukan
sumber tenaga yang stabil pada berbagai tarikan arus beban, untuk itulah
diperlukan regulator tegangan. Bagian ini akan membahas prinsip kerja regulator
tegangan baik yang linear maupun switching, dan hal-hal yang perlu
dipertimbangkan dalam pemilihan sistem catudaya.
Pengaturan tegangan yang diharapkan adalah terjaganya level tegangan pada nilai
konstan yang diinginkan terhadap perubahan yang terjadi pada sumber tegangan,
beban, dan temperatur, serta memiliki efisiensi konversi mendekati 100%.
Perubahan tegangan keluaran terhadap perubahan tegangan sumber disebut
pengaturan sumber (line regulation). Rasio antara perubahan tegangan pada beban
penuh dengan level tegangan yang diinginkan disebut dengan pengaturan beban
(load regulation). Level keluaran seringkali juga tidak stabil, hal ini dinamakan
riak tegangan (voltage ripple) [12]. Hal ini diilustrasikan pada Gambar II.22.
Gambar II.22. Ketidakidealan regulator tegangan [12].
Regulator linear berlaku sebagaimana resistor variabel di antara masukan dan
keluaran, untuk menyediakan tegangan keluaran yang tepat. Tegangan keluaran
dicuplik kemudian dibandingkan dengan tegangan referensi. Perbedaan yang
muncul di antara kedua tegangan tersebut selanjutnya dikonversi secara
proporsional menjadi arus yang akan mengendalikan resistansi transistor series
pass. Hal ini diilustrasikan pada Gambar II.23. Dengan cara ini, tegangan
keluaran dapat dijaga walaupun terjadi perubahan tegangan masukan atau arus
beban [12].
31
Kelemahan jenis regulator ini adalah kecilnya efisiensi konversi, karena adanya
disipasi daya. Semakin besar tarikan arus beban, disipasi daya akan semakin
besar, regulator semakin panas, dan efisiensi semakin buruk. Tetapi, regulator
linear memiliki keunggulan antara lain sederhana, riak tegangannya kecil,
pengaturan sumber dan bebannya sangat baik, dan responsnya terhadap perubahan
tegangan sumber dan beban cukup cepat. Pemakaian yang banyak adalah pada
beban yang ringan atau beda tegangan masukan-keluaran yang kecil (low drop out
regulator).
CurrentAmplifier
Vref
R1
R2
Io VoQ1Series Pass
Vac
Vdc
Cp
Gambar II.23. Rangkaian regulator linear [12].
Gambar II.24. Teknik modulasi lebar pulsa [12].
Untuk mengatasi buruknya efesiensi pada regulator linear, diperkenalkan
regulator switching. Prinsipnya adalah dengan menghidup-matikan saklar,
sehingga tegangan rata-ratanya mencapai level yang diinginkan. Hal ini
diilustrasikan pada Gambar II.24. Tegangan rata-rata yang dirasakan oleh resistor
adalah
( ) ion
avgo VTt
V ×= (II.6)
32
Dengan mengatur durasi ton, perbandingan antara Vo dengan Vi bisa diatur. Teknik
ini dikenal dengan modulasi lebar pulsa (PWM, pulse width modulation).
Cara kerja regulator switching diilustrasikan pada Gambar II.25. Untuk
menghasilkan tegangan keluaran yang lebih rendah daripada tegangan masukan
digunakan buck atau step-down regulator. Ketika pengendali transistor mengukur
bahwa level tegangan keluaran lebih rendah daripada ambang yang ditetapkan,
transistor dinyalakan sehingga arus mengalir pada induktor L dan mengisi
kapasitor C. Tegangan pada kapasitor terus meningkat sampai mencapai ambang
tertentu dan kemudian transistor dimatikan. Karena arus pada induktor tidak bisa
berubah secara tiba-tiba, maka rangkaian ini akan memaksa mengalirnya arus
melewati diode D, induktor dan kapasitor, yang berarti mentransfer energi yang
tersimpan pada induktor ke kapasitor. Beban RL dihubungkan ke kapasitor.
Gambar II.25. Rangkaian buck (step down)regulator [12].
Disipasi daya pada buck regulator cukup rendah. Saat transistor Q OFF, Q
beroperasi pada tegangan maksimum Vi tetapi arus sama dengan nol sehingga
tidak ada daya yang didisipasikan. Saat transistor ON, D beroperasi pada tegangan
negatif dan mengalirkan arus yang sangat kecil, sehingga disipasi daya juga
sangat kecil. Rendahnya disipasi daya inilah yang menyebabkan buck regulator
memiliki efisiensi yang tinggi.
Tegangan keluaran dari ruck regulator akan mempunyai ripple gigi gergaji jika
tidak difilter. Tegangan ripple ini dapat bervariasi antara 0,5 % hingga 3 % dari
tegangan keluaran. Tegangan ripple ini terutama disebabkan oleh arus ripple pada
induktor dikalikan dengan Equivalent Series Resistance (ESR) dari kapasitor
33
keluaran dan juga kecepatan switching dari transistor. Untuk meminimalkan
ripple tegangan keluaran ini, dapat dilakukan dengan cara memperbesar nilai
induktansi dari induktor atau memperbesar nilai kapasitor pada tegangan keluaran.
Efisiensi suatu regulator adalah perbandingan antara daya keluaran terhadap daya
masukannya. Bila Vo adalah tegangan keluaran, Io adalah arus keluaran, Vi dan Ii
masing-masing adalah tegangan dan arus masukan, efisiensi konversi dapat
dinyatakan dengan
ii
oo
IVIV
××
=η (II.7)
Dari rumus tersebut, arus masukan yang ditarik dapat ditentukan dengan
η××
=i
ooi V
IVI (II.8)
Pertimbangan pemakaian jenis regulator didasarkan kepada beberapa parameter.
Nilai tipikal parameter-parameter tersebut diperlihatkan pada Tabel II.1.
Tabel II.1. Perbandingan antara regulator linear dan switching [12]. Spesifikasi Regulator Linear Regulator Switching Pengaturan sumber 0,02%–0,05% 0,05%–0,1% Pengaturan beban 0,02%–0,1% 0,1%–1,0% Riak keluaran 0,02%–0,1% 10 mV–100 mVP-P Jangkauan tegangan masukan ±10% ±20% Efisiensi 40%–55% 60%–95% Kerapatan daya 0,5 W/cu. in. 2W–10W/cu. in. Pemulihan transien 50 μs 300 μs Waktu hold-up 2 ms 34 ms