BAB II DASAR TEORI 2.1.
GPS (Global Positioning System) GPS adalah sistem navigasi berbasiskan satelit yang saling berhubungan
pada orbitnya kemudian memancarkan sinyalnya ke bumi dan ditangkap oleh sebuah alat penerima. Satelit-satelit itu milik Departemen Pertahanan Amerika Serikat yang pertama kali diperkenalkan pada tahun 1978 dan pada tahun 1994 yang sudah mempunyai 24 satelit yang mengorbit. Ada tiga bagian penting dari sistem ini, yaitu bagian kontrol, bagian angkasa, dan bagian pengguna [2]. 1. Bagian kontrol berfungsi sebagai pengontrol dan pengoreksi data informasi satelit yang diterima untuk kemudian dikirimkan kembali ke satelit. Data satelit yang dikoreksi ini disebut data emepheris yang akan dikirimkan ke alat penerima GPS. 2. Bagian angkasa adalah kumpulan satelit yang mengorbit di angkasa. Satelit–satelit dikontrol sehingga pesawat penerima GPS tetap dapat menerima sinyal dari satelit sebanyak minimal 3 atau 4 satelit. 3. Bagian pengguna merupakan bagian yang menerima sinyal-sinyal dari satelit dan melakukan perhitungan (triangulasi) untuk menentukan koordinat posisinya. Satelit GPS akan memancarkan data emepheris yang akan diterima oleh alat GPS receiver secara teratur [3]. Untuk dapat mengetahui posisi seseorang maka diperlukan alat yang diberi nama GPS receiver yang berfungsi untuk menerima sinyal yang dikirim dari
6
satelit GPS. Dibutuhkan paling sedikit sinyal dari 3 buah satelit untuk mendapatkan data posisi. Untuk menunjukkan data ketinggian dibutuhkan 4 buah satelit. Posisi diubah menjadi titik yang dikenal dengan nama Way-point nantinya akan berupa titik-titik koordinat lintang dan bujur dari posisi seseorang atau suatu lokasi kemudian di layar pada peta elektronik. GPS receiver sendiri berisi beberapa IC (Integrated Circuit) sehingga murah dan teknologinya mudah untuk digunakan oleh semua orang. GPS dapat digunakan utnuk berbagai kepentingan, misalnya navigasi, sistem informasi geografis, militer, pelacak kendaraan, pemantauan gempa yang diintegrasikan dengan komputer. Berikut contoh perangkat GPS receiver:
Gambar 2.1 Perangkat GPS Receiver
7
2.1.1
Satelit GPS Satelit GPS berada di Medium Earth Orbit (MEO) yang berada pada
ketinggian sekitar 20.200 km (12550 mil). Satelit di konstelasi GPS disusun menjadi enam pesawat orbital berjarak sama di sekitar Bumi. Setiap pesawat berisi empat "slot" yang ditempati oleh satelit dasar. Pengaturan 24 slot ini memastikan pengguna dapat melihat setidaknya empat satelit dari hampir setiap titik di planet ini.
Gambar 2.2 Konstelasi 27 Satelit Angkatan Udara biasanya terbang lebih dari 24 satelit GPS untuk mempertahankan cakupan kapan satelit dasar yang dilayani atau dinonaktifkan. Satelit ekstra dapat meningkatkan kinerja GPS tetapi tidak dianggap sebagai
8
bagian dari konstelasi
inti. Pada bulan Juni 2011, Angkatan Udara berhasil
menyelesaikan ekspansi GPS konstelasi dikenal sebagai "ekspansi 24" konfigurasi. Tiga dari 24 slot diperluas, dan enam satelit ditempatkan, sehingga tiga dari satelit tambahan menjadi bagian dari dasar konstelasi. Akibatnya, GPS sekarang secara efektif beroperasi sebagai konstelasi 27-slot dengan cakupan yang ditingkatkan di sebagian besar belahan dunia. 2.1.2
Sinyal Satelit GPS GPS bekerja dengan cara memanfaatkan sinyal yang dipancarkan oleh
satelit GPS. Satelit ini berputar mengelilingi bumi selama dua kali sehari dan kemudian mentransmisikan sinyal ke bumi. Sinyal inilah yang kemudian digunakan untuk menghitung posisi perangkat GPS. Dalam mengirimkan sinyal Satelit GPS menggunakan frekuensi tertentu yang menggunakan pola-pola kode digital, berikut ini adalah sinyal dan kode digital yang digunakan oleh satelit GPS. 1. Carrier Satelit GPS mengirim sinyal dalam dua frekuensi, yaitu L1 pada 1575.42 MHz dengan membawa dua status pesan dan psudorandom code untuk keperluan perhitungan waktu. Sedangkan L2 pada 1227.60 MHz yang lebih akurat karena untuk keperluan militer. Daya sinyal radio yang dipancarkan sebesar 20 - 50 W. Sinyal dipancarkan secara Line Of Sight (LOS) [4]. 2. Pseudo Random Codes
9
GPS yang digunakan untuk umum akan memantau frekuensi L1 pada UHF (Ultra High Frequency) 1575.42 MHz. Sinyal L1 yang dikirimkan akan memliki pola-pola kode digital tertentu yang disebut pseudo ramdom codes. Sinyal yang dikirimkan terdiri dua bagian yaitu kode Protected (P) dan Coarse/Acquisition (C/A). Kode yang dikirim memiliki perbedaan masing-masing sehingga membedakan sinyal yang dikirim oleh satelit lainnya. Kode protected (P) ini biasanya digunakan untuk keperluan militer [4]. 2.1.3
Error Pada GPS Satelit GPS berada di atas lapisan atmosfer bumi yang terdapat beberapa
lapisan, perbedaan suhu, dan tekanan. Salah satu penyebab delay adalah pada lapisan atmosfer. Lapisan atmosfer ini mempengaruhi sinyal GPS yang dikirim ke bumi. Kecepatan sinyal GPS pada tiap lapisan atmosfer berbeda tergantung medium dari lapisan atmosfer tersebut. Perbandingan kecepatan gelombang cahaya(c) terhadap kecepatan gelombang sinyal GPS(v) disebut indeks bias medium(n), seperti pada rumus 3.1:
𝑛=
𝑐 𝑣 (3.1)
Di mana kecepatan cahaya sebesar 299,792,458 m/s [4]. Terdapat 2 lapisan atmosfer yang mempengaruhi sinyal GPS yaitu sebagai berikut: 1. Lapisan Ionosfer
10
Lapisan ionosfer adalah lapisan medium primer di lapisan atmosfer yang berada 70 km sampai 10000 km di atas permukaan tanah. Di daerah ini, sinar UV (Ultraviolet) dari ionisasi matahari sebagai bagian dari molekul gas dan melepaskan electron bebas. Elektron bebas ini mempengaruhi propagasi
gelombang elektromagnetik, termasuk kecepatan sinyal
pengiriman sinyal satelit GPS baik fase maupun kode. Pada sinyal fase, ionosfer akan meningkatkan kecepatan sinyal fase sehingga waktu tempuh sinyal menjadi lebih pendek dan sebaliknya pada kode, ionosfer akan menurunkan kecepatan sinyal carrier wave sehingga waktu tempuh sinyal menjadi lebih panjang. Untuk mengurangi delay pada lapisan ionosfer adalah membuat 2 sinyal dengan frekuensi berbeda. Hal inilah yang menyebabkan GPS memiliki 2 sinyal L1 dal L2 [3]. 2. Lapisan Troposfer Lapisan troposfer adalah medium non dispersive untuk gelombang radio pada frekuensi hingga 15 GHz. Lapisan ini tidak berpengaruh terhadap perbedaan frekuensi GPS, tetapi mengalami refraksi oleh gas-gas lain yang terdapat di lapisan troposfer. Akibatnya menimbulkan delay sinyal sebesar 1.9 m - 2.5 m pada arah zenith dan ≈30 m pada arah horizon. Besarnya penyimpangan jarak disebabkan oleh perlambatan waktu tempuh akibat pengaruh troposfer di arah zenith (vertikal) disebut dengan Zenith Tropospheric Delay (ZTD) [3].
2.1.4
Cara Kerja GPS
11
Pesawat penerima GPS menggunakan sinyal satelit untuk melakukan triangulasi posisi yang hendak ditentukan dengan cara mengukur lama perjalanan waktu sinyal dikirimkan dari satelit, kemudian mengalikannya dengan kecepatan cahaya untuk menentukan secara tepat berapa jauh pesawat penerima GPS dari setiap satelit. Dengan mengunci sinyal yang ditransmit oleh satelit minimum 3 sinyal dari satelit yang berbeda, pesawat penerima GPS dapat menghitung posisi tetap sebuah titik yaitu posisi lintang dan bujur bumi (Latitude & Longitude) atau sering disebut dengan 2D fix. Penguncian sinyal satelit yang keempat membuat pesawat penerima GPS dapat menghitung posisi ketinggian titik tersebut terhadap muka laut rata-rata (Mean Sea/Level) atau disebut 3D fix dan keadaan ini yang ideal untuk melakukan navigasi [2]. 2.2. Modul GPS SIM 908-C Modul GPS SIM 908-C adalah modul berteknologi GPS yang terintegrasi dengan modul GSM dan GPRS. Modul ini menawarkan penerimaan data GPS terbaik dalam kelas akuisisi dan sensitifitas pelacakan, Time-To-First-Fix (TTFF) dan akurasi. Dengan konfigurasi 50 mm x 33 mm x 8.8 mm, SIM908-C dapat memenuhi hampir semua kebutuhan ruang di aplikasi pengguna, sepertiM2M (Machine-to-Machine), ponsel pintar, PDA (Personal Digital Assistant), tracker dan perangkat mobile lainnya. SIM908-C memiliki konektor DIP60-PIN.
12
Gambar 2.3 Modul SIM908-C 2.2.1
Spesifikasi GPS SIM908-C SIM908-C dirancang dengan teknik penghematan daya sehingga konsumsi
saat ini serendah 1.0 mA dalam modus sleep (modul GPS dimatikan). Berikut ini adalah spesifikasi GPS SIM 908-C yang ditunjukkan pada tabel 2.1. Tabel 2.1 Spesifikasi GPS SIM 908-C Fitur
Implementasi
Catu daya`
3.2 V – 4.8 V
Power Saving
Konsumsi daya yang khas dalam sleep mode 1.0mA (BS-PA-MFRMS=9, GPS mesin dimatikan)
Horizontal Position Accuracy
2.5 m
Velocity Accuracy
Speed 0.01 m/s
Time To First Fix
Hot start 1 s, cold start 30 s
Receiver
Max altitude 18288 km, max velocity 1850 km/h
Power consumption
Continuous Tracking = 76 mA Acquisition = 77 Power down current = 0.03 uA
2.2.2 SIM908-C GPS Application Interface SIM908-C memberikan kinerja tinggi solusi L1 GPS untuk aplikasi handset seluler. Modul ini menawarkan solusi terbaik di kelasnya dalam akuisisi dan sensitivitas pelacakan, Time-To-First-Fix (TTFF) dan akurasi. Modul GPS ini 13
mendukung operasi sepenuhnya otonom untuk perangkat navigasi penggunaan inhandheld dan sistem navigasi mandiri lainnya. Informasi yang ditampilkan GPS NMEA adalah melalui pin GPS_TX pada modul GPS SIM908-C. Baud rate secara default adalah 11520 bps. SIM908-C mengintegrasikan protokol TCP/IP dan menggunakan TCP/IP ATCommand sangat berguna untuk transfer data aplikasi. Semua fungsi GPS dikendalikan oleh perintah AT-Command melalui port serial. Di bawah ini adalah beberapa fungsi GPS AT-Command yang ditunjukkan pada tabel 2.2. Tabel 2.2 Beberapa Fungsi GPS AT-Command Command
Deskripsi
AT+CGPSPWR
GPS POWER CONTROL
AT+CGPSRST
GPS MODE RESET (HOT/WARM/COLD)
AT+CGPSSTATUS
GET CURRENT GPS STATUS
AT+CGPSOUT
GPS NMEA DATA OUTPUT CONTROL
AT+CGPSINF
GET CURRENT GPS LOCATION INFO
AT+CGPSIPR
SET GPS NMEA OUTPUT UART BPS
2.2.3 SIM908-C Pin Out Diagram Modul GPS SIM908-C memiliki sebanyak 80 pin pada gambar 2.4 yang mempunyai beragam fungsi. Pada perancangan alat ini tidak semua pin tersebut digunakan. Berikut ini adalah pin out modul GPS SIM 908-C: 1. VBAT (pin 2, 4, 6, 8) adalah pin Input Power Supply 2. GPS_VCC_RF (pin 56) adalah pin Output untuk GPS Active Antenna 3. GPS_VANT (pin 75 dan 76) adalah pin Input untuk GPS Active Antenna Power Supply
14
4. GND (pin1, 2, 5, 10, 14, 37, 40, 41, 43, 57, 58, 60, 61, 64, 65, 77, 78, dan 80) adalah pin Ground 5. PWRKEY (pin 3) adalah pin Input Power On atau PowerDown 6. STATUS (pin 52) adalah pin Output Power On Status 7. NETLIGHT (pin 51) adalah pin Output Network Status 8. RXD (pin 68) adalah pin Input Receive Data 9. TXD (pin 71) adalah pin Output Transmit Data 10. GPS_TX (pin 15) adalah pin Output untuk GPS NMEA Information 11. GPS_RX (16) adalah pin Input Debugging and Upgrading Firmware
Gambar 2.4 Pin Out Diagram SIM 908-C 2.3
GPS Active Ceramic Antenna
15
Antena aktif untuk GPS pada gambar 2.5 berfungsi sebagai antena penerima sinyal GPS dari satelit. Antena ini dapat dihubungkan dengan semua peralatan atau modul GPS yang mendukung koneksi IPEX U.FL sering disingkat uFL, misalnya dari modul GPS SIM908-C.
Gambar 2.5 GPS Active Ceramic Antenna GPS Active Ceramic Antenna memiliki cakupan rentang pita frekuensi sebesar 5 ±1 MHz dengan ukuran yang kecil berbentuk persegi. Berikut ini spesifikasi dari GPS Active Ceramic Antenna yang ditunjukkan pada tabel 2.3. Tabel 2.3 Spesifikasi GPS Active Ceramic Antenna Spesifikasi
Ukuran
Frekuensi tengah / Center Frequency
1575,42 ±3 MHz
Lebar pita frekuensi / Bandwidth
5 ±1 MHz
V.S.W.R (Voltage Standing Wave Ratio, dalam BW)
1,5 : 1
Gain (pada titik Zenith)
2 ±0,5 dB
Polarisasi
RHCP
16
50Ω
Impedansi
2.4.
Arduino Arduino adalah sebuah platform physical computing yang bersifat open
source yang didasarkan pada Input atau Output (I/O) sederhana yang mengimplementasikan bahasa pemrograman C [4]. Arduino memiliki beberapa komponen utama, yaitu sebuah chip mikrokontroler dengan jenis AVR dari perusahaan Atmel. Mikrokontroler itu sendiri adalah chip atau IC (integrated circuit) yang bisa diprogram menggunakan komputer. Tujuan menanamkan program pada mikrokontroler adalah agar rangkaian elektronik dapat membaca input, memproses input tersebut dan kemudian menghasilkan output sesuai yang kebutuhan. Jadi mikrokontroler bertugas sebagai otak yang mengendalikan input, proses dan output sebuah rangkaian elektronik [5] Secara umum, Arduino terdiri dari dua bagian, yaitu : yang pertama adalah bagian hardware berupa papan input/output (I/O) yang open source dan yang ke dua adalah bagian software Arduino yang merupakan software open source, meliputi
software Arduino IDE untuk menulis program
dan
driver untuk
koneksi dengan komputer [4]. Arduino terbuka untuk semua yang ingin mengembangkan suatu sistem interaktif berbasis mikrokontroler, baik untuk kalangan mahasiswa, pelajar, profesional, bahkan pemula sekalipun. Pengguna dapat memiliki Arduino sesuai kebutuhannya, karena Arduino dibuat dalam beberapa jenis dan ukuran diantaranya yaitu : Arduino Pro Mini, Arduino Diecimila, Arduino Duemilanove,
17
Arduino UNO, Arduino Leonardo, Arduino Mega, Arduino Nano, Arduino Due, Arduino Yun dan berbagai jenis Arduino lainnnya.
2.4.1 Arduino Pro Mini Arduino Pro Mini 328 adalah Arduino versi selanjutnya dari Arduino Mini. Arduino Pro Mini ini menggunakan ATmega 328. Bentuk fisik Arduino Pro Mini 328 dapat dilihat pada gambar 2.6.
Gambar 2.6 Arduino Pro Mini 328 Arduino Pro Mini tipe ini memiliki memori sebesar 32 Kb. Arduino tipe ini juga memiliki 20 pin yang berfungsi sebagai input dan output, 6 diantaranya pin analog dan 14 pin adalah pin PWM (Pulse Width Modulation). Dengan osilator kristal 16 MHz. USB merupakan koneksi yang digunakan Arduino untuk terhubung ke PC. Terdapat 2 versi Arduino Pro Mini, yaitu yang bekerja pada tegangan 3.3 V frekuensi 8 MHz dan yang bekerja pada tegangan 5 V frekuensi 16 MHz. Pada Tugas Akhir ini digunakan Arduino Pro Mini 5 V frekuensi 16 MHz. Berikut ini adalah spesifikasi Arduino Pro Mini 5 V frekuensi 16 Mhz yang ditunjukkan pada tabel 2.4.
18
Tabel 2.4 Spesifikasi Arduino Promini 328 Spesifikasi
Ukuran
Mikrokontroler
ATMega 328
Tegangan Operasional
5V
Tegangan Masukan
5 V– 12V
Pin Digital I/O
14 (6 pin untuk keluaran PWM)
Analog input pins
6
Arus DC per I/O Pin
40 mA
Memori Flash
32 Kb (0.5 Kb digunakan untuk bootloader)
SRAM
2 Kb
EEPROM
1 Kb
Clock Speed
16 MHz
Pemrograman pada Arduino menggunakan bahasa pemrograman C. Program ini digunakan untuk memberi instruksi kepada Arduino agar dapat beroperasi. Arduino Pro Mini 328 sebagai memiliki fitur seperti mikrokontroler pada umumnya, yaitu memori program, memori data, serta pin I/O. Berikut ini adalah fitur Arduino Pro Mini. 1.
Memori Program Arduino Pro Mini 328 memiliki 32 Kb on-chip in-system
reprogrammable flash memory sebagai tempat menyimpan pogram. Memori flash ini dibagi ke dalam dua bagian, yaitu bagian program bootloader dan aplikasi. Bootloader adalah program kecil yang dieksekusi saat setelah pertama kali sistem dinyalakan. Bootloader ini bekerja seperti
19
sistem yang dapat memasukkan seluruh program aplikasi ke dalam memori prosesor seperti terlihat pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 : Peta Memori Program
2. Memori Data Berbeda dari memori program, memori data digunakan untuk menyimpan data bukan program. Memori data pada mikrokontroler ATMega 328 terbagi atas SRAM dan EEPROM. 3. Pin I/O Arduino Pro Mini 328 memiliki masing-masing dari 14 pin digital yang dapat digunakan sebagai masukan atau keluaran menggunakan fungsi pinMode() dan menentukan proses penulisan atau pembacaan data I/O menggunakan fungsi digitalWrite() dan digitalRead(). Setiap pin beroperasi pada tegangan 5 volt. Setiap pin mampu menerima atau menghasilkan arus maksimum sebesar 40 mA dan memiliki 20-50 kΩ resistor pull-up internal (diputus secara default). Pin digital ini selain berfungsi sebagai masukan atau keluaran digital juga memiliki kegunaan khusus yaitu:
20
1. Komunikasi serial: Serial disediakan pada pin 0 (RX) dan pin 1 (TX). TX dan RX merupakan pin yang bekerja sebagai pengirim dan penerima data serial. Pin ini terkoneksi ke pin 0 (RX) dan pin 1 (TX) dari 6 header pin. 2. External interupt: interupt 0 disediakan pada pin 2, interupt 1 yaitu pada pin 3, interupt 2 yaitu pada pin 21, interupt 3 yaitu pada pin 20, interupt 4 yaitu pada pin 19, interupt 5 yaitu pada pin 18. Pin ini dapat dikonfigurasi untuk memicu sebuah interupt pada nilai rendah, sisi naik atau turun, atau pada saat terjadi perubahan nilai. 3. PWM: Pin 3,5,6,9,10, dan 11 menyediakan keluaran PWM 8-bit 4. SPI: Pin 12 (MISO), 11 (MOSI), 13 (SCK) dan 10 (SS), pin ini mendukung komunikasi SPI dengan menggunakan SPI library. 5. LED: Pin 13 terhubung dengan LED built-in. Kondisi LED akan mengikuti kondisi pin 13 ini. Ketika pin bernilai HIGH maka LED menyala, ketika pin bernilai LOW maka LED akan padam. Selain fitur di atas Arduino Pro Mini 328 memiliki 8 masukan analog yaitu: pin A0 sampai A7, setiap pin menyediakan resolusi sebanyak 10 bit. Secara default pin mengukur nilai tegangan dari ground 0V hingga 5V, meskipun begitu pengguna dapat mengganti nilai batas atas dengan menggunakan pin AREF dan fungsi analogReference() [5]. 2.5.
Modul OLED (Organic Light Emiting Diode) Display SSD1396 I2C SSD1306 adalah driver CMOS chip tunggal OLED/PLED dengan
controller untuk Organic / Polymer Light Emitting Diode (LED) sistem tampilan grafis dot-matrix. Modul OLED Display pada gambar 2.8 terdiri dari 128 segmen 21
dan 64 commons. IC ini dirancang untuk Cathode umum jenis panel OLED. SSD1306 sudah embeds dengan kontrol kontras, tampilan RAM dan osilator, yang mengurangi jumlah komponen eksternal dan konsumsi daya. Modul OLED Display memiliki 256-langkah kontrol kecerahan. Data / Perintah yang dikirim dari general MCU melalui selectable hardware 6800/8000 series kompatibel antarmuka paralel, interface I2C atau Serial Peripheral Interface. Modul ini sangat cocok untuk banyak aplikasi portabel, seperti ponsel, MP3 player, kalkulator, dan banyak aplikasi lainnya.
Gambar 2.8 Modul OLED Display SSD1396 I2C Modul ini mengonsumsi catu daya tingkat tegangan 3 V dengan konsumsi arus kurang dari 18 mA sehingga dapat digunakan langsung bersama MCU berbasis tegangan 3,3 V (contoh: Arduino Pro Mini 3v3). Untuk mikrokontroler bertegangan 5 V (contoh: Mega 2560, Leonardo, dsb.). Anda dapat menggunakan pin 3.3 V sebagai sumber catu daya (Vcc) . Berikut ini adalah spesifikasi lengkap modul OLED Display SSD1396 I2C yang terdapat pada tabel 2.5. Tabel 2.5 Spesifikasi OLED Display SSD1396 I2C
22
Spesifikasi
Ukuran
Resolusi
128 x 64 dot matrix panel
Memori tampilan
display RAM , 128 x 64 bit SRAM
Catu Daya
VDD= 1.65 V to 3.3 V ( IC logic) VCC= 7 V to 15 V ( panel driving )
Tampilan Matriks
Tegangan maksimum keluaran OLED, 15 V Arus maksimum segment: 100 µA Arus maksimum sink common: 15 mA 256 pengaturan contrast brightness
PinselectableMCUInterface
8-bit seri 6800/8080 Parallel Interface 3 /4 wire Serial Peripheral Interface I2C Interface
Rentang suhu operasional
-40 °C hingga 85 °C
23
