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
