BAB III PERENCANAAN SISTEM DAN PEMBUATAN ALAT
3.1
Pendahuluan Dalam bab ini akan dibahas pembuatan seluruh sistem perangkat dari
Sistem Interlock pada Akses Keluar Masuk Pintu Otomatis dengan Identifikasi RFID dan Verifikasi PIN, dimana secara garis besar terdapat dua bagian perangkat yang ada yaitu: 1. Perencanaan perangkat keras 2. Perencanaan perangkat lunak Pada perencanaan perangkat keras akan meliputi penjelasan dari perencanaan diagram blok sistem, perencanaan sinyal inputan dan keluaran (input/output), perencanaan minimum sistem mikrokontroller ATmega 128. Sementara, perencanaan perangkat lunak yang menggunakan bahasa assembler beserta peripheral yang digunakan pada perencanaan perangkat lunak yang juga digunakan pada minimum sistem mikrokontroller ATmega 128. Kombinasi kedua perangkat tersebut akan bekerja saling mendukung satu dengan lainnya sehingga alat yang direncanakan dapat berjalan sesuai dengan perencanaannya.
3.2
Perancangan Perangkat Keras Dalam perancangan dan pembuatan alat aplikasi Sistem Interlock pada
Akses Keluar Masuk Pintu Otomatis dengan Identifikasi RFID dan Verifikasi PIN, selain menggunakan mikrokontroller AVR ATmega 128 sebagai kontrol utama, juga menggunakan komponen lain sebagai komponen pendukung. Sebelum menentukan dan membuat perangkat keras, terlebih dahulu dilakukan perencanaan blok diagram yang akan menjadi kerangka acuan dalam pembuatan
28
29
alat aplikasi sesuai dengan yang diinginkan. Adapun blok diagram dari sistem tersebut adalah sebagai berikut:
Gambar 3.1 Blok Diagram sistem secara keseluruhan
Gambar 3.1 diatas adalah blok diagram dari rangkaian sistem. Secara garis besar sistem terbagi dalam tiga bagian, yaitu masukan (input), proses data/program, dan keluaran (output). Bagian masukan (input) terdiri dari keypad matrix 4x4, RFID reader dan sensor optik. Sementara untuk keluaran (output) terdiri dari Display LCD M1632, Motor penggerak DC, buzzer sebagai alarm, dan LED sebagai indikator. Sedangkan mikrokontroller ATmega 128 digunakan sebagai kontrol utama untuk mengolah program. Skematik keseluruhan rangkaian dapat dilihat pada gambar 3.2
30
Gambar 3.2 Diagram Skematik secara Keseluruhan
3.2.1 Cara Kerja Rangkaian Keseluruhan Alat ini dirancang dengan memiliki alur proses pengontrolan. Pengontrolan dimulai dengan proses identifikasi, yakni inputan data yang berupa masukan dari RFID reader ketika mendeteksi keberadaan kartu RFID, inputan berupa data (nomor serial kartu) ini masuk ke mikrokontroller dan dibandingkan dengan data (nomor serial) yang telah dimasukkan/didaftarkan ke dalam program. Jika data dinyatakan valid, maka mikrokontroller akan memberikan perintah eksekusi ke driver motor untuk membuka pintu pertama. Setelah pintu pertama tertutup, maka diperlukan proses verifikasi untuk dapat membuka pintu kedua. Proses verifikasi ini yakni proses inputan data dari keypad matriks yang kemudian dibandingkan dengan data dari inputan RFID reader. Jika data dinyatakan valid, maka mikrokontroller akan memberikan perintah eksekusi ke driver motor untuk membuka pintu kedua.
31
Jika data dinyatakan tidak valid, maka proses inputan data dapat diulang kembali. Jika pada kesempatan yang ketiga dan data masih dinyatakan tidak valid, maka mikrokontroller akan memberikan perintah eksekusi ke driver motor untuk membuka pintu pertama dan memulai siklus pengontrolan dari awal (proses identifikasi). Indikasi dapat dilakukannya proses verifikasi dan proses inputan data dari keypad matriks nantinya akan ditampilkan melalui display LCD. Indikasi kesalahan/kegagalan
dalam
proses
verifikasi
ketiga
kalinya
akan
menghidupkan/menyalakan alarm. Demikian juga jika akses keluar masuk dilakukan oleh lebih dari satu orang dalam waktu yang bersamaan, maka mikrokontroller akan memberikan perintah ke alarm untuk berbunyi.
3.2.2 Fungsi Komponen dari Rangkaian Sistem Pada gambar 3.1 blok diagram rangkaian keseluruhan diatas, dapat dilihat beberapa blok diagram yang masing-masing memiliki fungsi : 1. RFID Reader Digunakan untuk proses identifikasi dalam siklus awal. Mendeteksi kartu RFID sebagai akses keluar masuk pintu otomatis. 2. Keypad matriks Digunakan untuk proses verifikasi, memasukkan PIN secara manual. 3. Sensor optic (IR Proximity) Digunakan untuk mendeteksi adanya pihak yang akan meng-akses keluar masuk pintu otomatis. 4. Mikrokontroller ATmega 128 Mikrokontroller ATmega 128 sebagai pengolah data utama dari keseluruhan sistem. 5. LCD M1632 LCD 16x2 sebagai penampil informasi PIN yang dimasukkan melalui keypad.
32
6. Driver Motor L298 Digunakan sebagai pengendali motor DC untuk mengendalikan buka tutup pintu secara otomatis. 7. Buzzer (alarm) Berfungsi sebagai indikator jika proses verifikasi gagal dan jika ada lebih dari satu orang yang terdeteksi melewati pintu pertama. 8. LED (indikator) Berfungsi sebagai indikator dimana proses verifikasi dan identifikasi sedang berlangsung atau dalam kondisi standby.
3.3
Perancangan Rangkaian Dalam merencanakan rangkaian kita harus mengacu pada sistem yang
benar dan data teknis yang sesuai agar alat yang kita buat nantinya dapat berjalan sesuai dengan yang kita inginkan.
3.3.1 Perancangan Rangkaian RFID Reader RFID reader adalah komponen paling penting dalam sistem ini , karena RFID reader ini nantinya sebagai media pembaca kartu akses dari pengguna. RFID reader yang digunakan pada aplikasi ini menggunakan RFID modul tipe ID-12 dengan frekuensi kerja 125 kHz, sebuah frekuensi yang cukup rendah untuk pemakaian aplikasi RFID pada umumnya. Modul ini juga sudah didukung oleh format data ASCII (UART TTL/RS-232) sehingga cukup memudahkan untuk diintegrasikan dengan mikrokontroller Atmega 128 dengan cukup menghubungkan port output (pin 1-4 pada gambar 3.3) modul dengan Port E.0 & D.2 pada kontroller.
33
Gambar 3.3 Modul RFID Reader ID-12
Dengan cukup memberi tegangan kerja antara 9 – 12 V, maka modul RFID ID-12 akan membaca kartu berformat EM4001/sejenisnya dalam jangkauan jarak sampai dengan 12 cm. Ketika suatu kartu dibaca oleh modul ini, maka modul akan mengirimkan informasi identitas kartu melalui port output (pin 1-4 pada gambar 3.3) ke kontroller untuk kemudian diverifikasi.
3.3.2 Perancangan Rangkaian Keypad 4X4 Perancangan keypad dirancang memiliki konfigurasi matrik 4X4, sehingga akan diperoleh tombol sebanyak 16 buah. Masing-masing tombol tersebut digunakan sebagai masukan beban yang kita inginkan. Adapun cara kerja keypad yang direncanakan dapat dijelaskan sebagai berikut : Setiap kali penekanan tombol akan terjadi suatu persilangan antara baris X dengan kolom Y. Kondisi logic hasil penekanan tombol keypad tersebut dihubungkan pada Port Input (PA.0 – PA.7) melalui kaki X1-X4 dan Y1-Y4. Keadaan penekanan tombol persilangan antara baris X dan kolom Y akan dibaca dan untuk sementara disimpan dimemori internal mikrokontroller sehingga persilangan antara baris dan kolom dapat dikirimkan ke MCU pada proses penampilan dan pengolahan karakteristik data yang diminta.
34
Gambar 3.4 Rangkaian Keypad 4X4
3.3.3 Perancangan Rangkaian Mikrokontroller ATmega 128 Rangkaian minimum mikrokontroller ATmega128, port yang digunakan dalam perencanaan alat ini ditunjukkan pada gambar 3.5 berikut ini:
35
Gambar 3.5 Rangkaian minimum sistem mikrokontroller ATMEGA128
Port X1 dan X2 dihubungkan dengan kristal yang berfungsi sebagai pembentuk sebuah isolator bagi mikrokontroller. Kristal 8 MHz ini didukung dua capasitor keramik C2 dan C3 yang nilainya sama. Apabila terjadi beda potensial pada kedua kapasitor tersebut maka kristal akan berosilasi. Pulsa yang keluar adalah berbentuk gigi gergaji dan akan dikuatkan oleh rangkaian internal pembangkit rangkaian pulsa pada mikrokontroller sehingga akan berubah menjadi pulsa clock. Untuk pembagian dari frekuensi internal mikrokontroller itu sendiri yang diinisialisasi dengan program.
36
Port Reset dihubungkan dengan saklar yang digunakan untuk me-Reset mikrokontroller. Karena kaki reset ini aktif berlogic tinggi maka diperlukan Resistor R1 yang nilainya 10KΩ yang dihubungkan dengan tegangan 0 Volt untuk memastikan port Reset berlogic rendah saat sistem ini bekerja. Kapasitor C1=10μF berfungsi untuk meredam adanya kesalahan akibat penekanan saklar Reset. Tabel 3.1 Fungsi Tiap – tiap Port Microcontroller ATMEGA128 PORT
FUNGSI
Port C.0 - C.3
Driver Motor DC L298
Port A.0 – A.7
Keypad Matrix 3X4
Port B
LCD
Port E.0 & D.2
TX RFID Reader
Port D.5 & D.7
Sensor optik (infrared)
Port E.2 – E.7
Buzzer & LED
3.3.4 Perancangan Rangkaian LCD M1632 Dalam aplikasi ini tampilan inputan proses verifikasi menggunakan sebuah layar LCD (Liquid Crystal Display) yaitu jenis TM1632 yang merupakan LCD dua baris dimana setiap barisnya terdiri atas 16 karakter. Pinpin LCD dan fungsinya ditunjukkan dalam Tabel 3.2 dibawah ini.
Tabel 3.2 Fungsi pin-pin LCD Pin DB4-DB7
Fungsi Merupakan saluran data, berisi perintah dan data yang akan ditampilkan di LCD
Enable
Sinyal operasi awal, sinyal ini mengaktifkan data tulis atau baca
R/W
Sinyal seleksi tulis atau baca
37
0 : tulis 1 : baca RS
Sinyal pemilih register 0 : instruksi register (tulis) 1 : data register (baca dan tulis)
Masukan yang diperlukan untuk mengendalikan modul ini berupa bus data yang masih termultiplek dengan bus alamat serta 3 bit sinyal kontrol. Sementara pengendalian dot matrik LCD dilakukan secara internal oleh kontroler yang sudah terpasang pada modul LCD. +5V
Liquid Crystal Display
1N4002 LD+ LD-
16 15 AD0 - AD7
DB7 DB6 DB5 DB4 DB3 DB2 DB1 DB0 E R/W RS Vee Vcc Vss
14 13 12 11 10 9 8 7
A 7402 3 1
6
ENABLE
5 4 3 2 1
+5V
2
WR MK CS5 74138 A0 MK RS
Gambar 3.6 Rangkaian display LCD
Rangkaian display ditunjukkan dalam Gambar 3.6. Saluran data DB4DB7 dihubungan pada port B.4 – port B.7 Mikrokontroler Atmega128. Sedangkan penyemat R/W dan RS dihubungkan pada port B.0 dan port B.1 mikrokontroler Atmega128. Penyemat Vee dihubungkan pada potensiometer 10 kΩ, untuk mengatur tingkat kecerahan LCD.
38
3.3.5 Perancangan Rangkaian Driver Motor L298 Dalam perancangan alat ini driver motor diperlukan untuk menggerakkan atau menghidupkan motor. Pada rangkaian driver ini perancang sengaja menggunakan komponen IC driver motor L298, karena pada rangkaian ini mengkonsumsi tegangan DC 5V sama dengan MCU, arus sebesar 15 mA, dan tidak menimbulkan suara seperti Relay. Adapun gambar rangkaiannya adalah sebagai berikut:
Gambar 3.7 Rangkaian driver motor L298
Rangkaian driver ini akan berfungsi jika diberi tegangan 0 V, sehingga ini akan mudahkan untuk mengakses data atau perintah dalam pembuatan software MCU. Dari rangkaian diatas terlihat bahwa IC driver tersebut tidak memerlukan tambahan komponen lainnya, karena didalamnya sudah terdapat bermacam – macam komponen yang terintegrasi menjadi satu chip. Hanya diperlukan suatu sinyal inputan yang masuk ke pin/terminal IN (IN1 – IN4), maka motor dapat digerakkan melalui pin/terminal OUT (OUT1 – OUT4).
39
3.3.6 Perancangan Rangkaian Sensor Optik Pada aplikasi ini digunakan sensor optik yang berfungsi untuk mendeteksi adanya pihak yang akan meng-akses keluar masuk pintu otomatis. Sensor optik yang digunakan dalam sistem ini adalah IR Proximity yang berbasis infrared dengan teknik pemindaian secara difusi. DT-SENSE IR PROXIMITY DETECTOR sendiri merupakan sebuah modul sensor cerdas yang dapat digunakan untuk mendeteksi jarak suatu objek. Keluaran DT-SENSE IR PROXIMITY DETECTOR berupa data digital yang menyatakan ada atau tidaknya objek hingga jarak tertentu di depan sensor. Jarak deteksi sensor dapat ditentukan oleh pengguna dengan melakukan kalibrasi sebelumnya.
Gambar 3.8 Rangkaian sensor IR proximity Sensor proximity inframerah memiliki dua bagian yaitu satu bagian yang memancarkan gelombang cahaya inframerah (pemancar) dan bagian lain yang mendeteksi gelombang cahaya inframerah tersebut (penerima). Sebuah objek yang berada di depan sensor inframerah yang sedang memancarkan gelombang cahaya inframerah akan memantulkan gelombang cahaya tersebut.
40
3.4
Flowchart Sistem kerja secara keseluruhan dapat dilihat pada struktur program dalam
flowchart gambar 3.9 di bawah ini. Saat pertama kali sistem disambungkan ke sumber tegangan, maka sistem akan berada dalam kondisi awal dimana seluruh indikator, alarm maupun motor penggerak pintu dalam keadaan mati, kecuali RFID reader akan berada pada kondisi standby untuk menerima sinyal dari kartu akses sewaktu-waktu. Saat salah satu RFID reader mendeteksi adanya kartu akses, maka sistem akan memeriksa apakah sebelumnya juga terjadi proses identifikasi pada RFID reader lainnya. Jika iya, maka sistem tidak akan bereaksi untuk membuka pintu karena sistem sedang dalam proses verifikasi dari arah sebaliknya. Jika tidak terjadi proses identifikasi sebelumnya, maka sistem akan memberikan sinyal output untuk membuka pintu. Saat pintu terbuka dan pengguna sudah masuk ke area untuk melakukan proses selanjutnya (verifikasi), disaat bersamaan sensor akan berusaha mendeteksi si pengguna tersebut dan memerintahkan pintu untuk menutup kembali. Jika sensor tidak mendeteksi adanya pengguna / pengguna batal memasuki area verifikasi, maka pintu akan tertutup dengan sendirinya setelah 10 detik. Selain mendeteksi si pengguna, sensor akan melakukan pengawasan berapa jumlah pengguna yang melewati pintu dalam sekali proses akses. Jika sensor mendeteksi lebih dari satu pengguna dalam sekali proses akses, maka alarm akan berbunyi dan proses verifikasi tidak dapat dilanjutkan. Namun jika sensor hanya mendeteksi keberadaan satu pengguna saja, proses verifikasi dapat dilanjutkan dengan cara memasukkan PIN pada keypad. Jika PIN yang dimasukkan benar, maka pintu kedua / selanjutnya akan terbuka untuk mempersilahkan pengguna keluar. Namun jika PIN yang dimasukkan salah, akan diberi kesempatan sampai dengan 3x, dan jika masih tetap salah, alarm akan berbunyi, pintu pertama / awal akan membuka kembali untuk mengulang sekuen dari awal.
41
Gambar 3.9 Flowchart sistem
42
3.5
Penetapan Identitas Kartu dan PIN Dalam konteks sistem ini, akan digunakan 4 (empat) buah kartu RFID
dimana masing-masing kartu sudah memiliki identitas tersendiri dari produsen, biasanya berupa nomor serial pada masing-masing kartu. Nomor serial inilah yang nantinya dimasukkan ke dalam program, supaya sistem dapat mengenali kartu tersebut sebagai ‘kunci’ untuk akses sistem. Penulisan nilai / nomor serial ke dalam program dapat dilihat pada potongan program seperti pada gambar 3.10 dibawah ini :
Gambar 3.10 Potongan program registrasi identitas kartu
Setiap kartu memiliki nomor serial berupa 16 digit, yang membedakan antara kartu satu dengan kartu lainnya. Nilai dari masing-masing digit inilah yang diambil dan kemudian dimasukkan / didaftarkan ke dalam program. Untuk menyingkat program, maka tidak semua nilai diambil, dan pada contoh aplikasi ini yang diambil adalah digit ke-7 (rx_buffer(7)) & digit ke-8 (rx_buffer(8)) dari masing-masing kartu.
43
Pada program diatas, hanya dituliskan / dimasukkan nomor serial untuk 3 (tiga) buah kartu, dimana 1 (satu) kartu lainnya akan dianggap sebagai kartu yang tidak / belum terdaftar. Penetapan PIN (Personal Identify Number) dapat dilakukan sesuai keinginan, yang tentunya PIN ini nantinya juga dituliskan dalam program yang akan disusun. Pada sistem ini, PIN untuk masing-masing kartu dapat dilihat pada tabel 3.3 dibawah ini. Tabel 3.3 Identitas kartu & PIN Kartu
PIN
A
0123
B
0456
C
0789
D
(tidak terdaftar)
Jika nantinya diperlukan adanya pengurangan maupun penambahan kartu baru, maka pada program harus direvisi dengan menghapus nilai dari nomor serial kartu lama atau menambah nilai dari nomor serial kartu baru dari daftar program. Demikian juga halnya jika ingin merubah nomor PIN.
3.6
Perancangan Perangkat Lunak Dalam konteks sistem ini, perangkat lunak merupakan suatu aplikasi yang
berisi program-program yang kita susun sedemikian rupa agar sistem dapat berjalan secara otomatis sesuai dengan yang kita inginkan. Untuk dapat dijalankan sebagaimana mustinya, program terlebih dahulu harus di download ke dalam mikroprosesor sebagai kontrol utamanya. Bahasa pemrograman mikroprosesor yang umum dan banyak digunakan adalah bahasa C. Oleh karenanya, dalam proyek ini penulis akan mencoba mengimplementasikan simulasi sistem dengan basis bahasa C.
