PROYEK AKHIR
MONITORING LAMPU KORIDOR GEDUNG A D4 PENS-ITS DENGAN MENGGUNAKAN WIRELESS SENSOR NETWORK (WSN) (Sub Judul : Hardware)
FAUZI DARYANTO NRP. 7308 030 023
Dosen Pembimbing : Ir. Anang Tjahjono , MT NIP. 196411191988031001
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO INDUSTRI POLITEKNIK ELEKTRONIKA NEGERSURABAYA iv
ABSTRAK Sekarang ini kebutuhan akan energi listrik merupakan hal yang mutlak, untuk itu perlu diadakan adanya monitoring kebutuhan energi listrik agar pengeluaran akan kebutuhan litrik bisa terpantau dengan mudah. Dalam pemonitoringan energi listrik pada proyek akhir ini menggunakan komunikasi Wireless Sensor Network (WSN) untuk komunikasi data parameter energi listrik. Pada proyek akhir ini menggunakan modul RF Xbee Pro yang dapat beroperasi dengan jarak jangkau 30 meter dalam ruangan dan 100 meter untuk jarak jangkau modul Xbee Pro yang berantena. Dengan cara ini dapat memudahkan memonitoring energi listrik pada gedung D4 PENS-ITS. Data-data energi listrik dikirimkan melalui modul RF Xbe Pro yang mana modul Xbee Pro ini dipasang disetiap node dan dikumpulkan ke dalam satu gateway, yang mana pada gedung D4 PENS-ITS mempunyai arus kurang lebih 2,7A. Dengan Cos Phi pada lampu hemat energy yang dipakai sebesar 0,58 besar daya yang dimonitoring ± 400 W. Kata Kunci : wireless sensor network, detektor phasa, ACS712, rangkaian EXOR.
v
ABSTRAC Today need for electrical energy is an absolute must, for it is necessary to hold the monitoring of electrical energy requirements for expenditures will be monitored litrik needs with ease. In pemonitoringan electrical energy at the end of this project uses communication Wireless Sensor Network (WSN) for data communications parameters of electrical energy. At the end of this project using Xbee Pro RF modules that can operate with a range of 30 meters indoors and 100 meters for a range of Xbee Pro modules that antenna. In this way can facilitate the monitoring of electrical energy in the building D4 PENS-ITS. The data of electrical energy transmitted through the RF module Xbe Pro Xbee Pro module which is installed on each node and collected into a single gateway, which in the D4 building PENS-ITS has a flow of approximately 2.7 A. With Cos Phi on energy saving lamps are used for 0.58 and power is monitored ± 400 W.
Keywords: wireless sensor networks, phase detector, ACS712, EXOR circuit.
vi
KATA PENGANTAR
Penulis mengucapkan puji syukur kehadirat Allah SWT atas limpahan rahmat ridho serta hidayah-Nya, sehingga tugas akhir dengan judul “MONITORING LAMPU KORIDOR GEDUNG D4 PENS-ITS DENGAN MENGGUNAKAN WIRELESS SENSOR NETWORK” ini dapat terselesaikan dengan baik. Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat menyelesaikan pendidikan di Jurusan Teknik Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya dan dalam tugas akhir ini membahas tentang perbaikan factor daya pada saluran rumah sehingga daya yang terpasang pada saluran rumah bisa terserap secara maksimal. Penulis menyAdari penyusunan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, segala saran serta masukan yang membangun penulis harapkan demi perbaikan dan dan kemajuan dalam tugas akhir ini. Akhir kata semoga Allah SWT melimpahkan berkah dan rahmat-Nya kepada kita semua. Semoga laporan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua.Amin.
Surabaya, Juli 2011
penulis
vii
UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada pihak – pihak yang telah membantu penulis menyelesaikan Tugas Akhir ini. 1. ALLAH swt yang telah memberikan petunjuk dan ketenangan dalam pengerjaan proyek akhir ini. 2. Kedua orang tua yang telah memberikan dukungan moral yang begitu besar serta doa yang tak pernah putus. 3. Bapak Ainur Rofiq N, ST. MT, selaku ketua jurusan Teknik Elekto Industri. 4. Bapak Ir. Anang Tjahjono , MT selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan bimbingan, dorongan, motivasi dan arahan dengan sabar dan penuh dedikasi yang tinggi terhadap penyelesaian tugas akhir ini. 5. Bapak – Bapak dan Ibu - Ibu Dosen Jurusan Teknik Elektro Industri yang telah membimbing dan memberi banyak ilmu pengetahuan pada penulis. 6. Sahabat – sahabat jurusan Teknik Elektro Industri yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu atas kekompakan, dan bantuan yang telah diberikan. Akhir kata semoga segala bantuan yang diberikan selama ini dapat dicatat sebagai amal yang baik dan mendapat balasan dari Tuhan YME.
Surabaya, Juli 2011
Penulis
viii
BAB I PENDAHULUAN
1.1
Latar belakang
Dengan meningkatnya kegiatan ekonomi dan kesejahteraan masyarakat maka akan menuntut kebutuhan energi listrik yang terus meningkat. Energi listrik merupakan salah satu kebutuhan utama masyarakat, oleh karena itu perlu adanya monitoring energi listrik untuk dapat mengetahui pemakaian energi listrik yang telah terpakai. Namun cara monitoring yang konvensional tidak begitu mudah pemakaiannya untuk khalayak umum. dengan kemajuan teknologi cara-cara konvensional untuk monitoring daya dapat diubah menjadi hal yang mudah di akses oleh para konsumen. Wireless Sensor Networking (WSN) merupakan suatu jaringan nirkabel yang terdiri dari beberapa sensor (sensor node) yang diletakkan ditempat - tempat yang berbeda untuk memonitoring kondisi suatu plan. Dengan begitu kita bisa memonitoring energi listrik pada plant dengan jangkauan yang luas. pada node ini akan didapatkan parameter energi yang berupa tegangan dan arus yang mana akan dikirimkan ke gateway. Data dari gateway dikirim ke server melalui komunikasi serial. dari server, data akan dapat di akses oleh client/user.
1.2
Tujuan Maksud dan tujuan dari Tugas Akhir ini adalah: Umum
Sebagai syarat kelulusan dari pendidikan Diploma III Politeknik Elektronika Negeri Surabaya-ITS.
ix
Khusus
Dalam penyelesaian proyek akhir ini, terdapat tujuan khusus yang ingin dicapai antara lain: Monitoring pemakaian energi pada lampu koridor di gedung D4 PENS-ITS. Merencanakan dan merealisasikan alat pemonitoring pemakaian energi pada lampu koridor di gedung D4 PENS-ITS. 1.3
Perumusan Masalah Perumusan masalah pada proyek akhir ini adalah sebagai
berikut Bagaimana memonitoring parameter energi listrik. Bagaimana mensensing parameter energi listrik.
1.4
Batasan Masalah
Batasan masalah dalam pengerjaan proyek akhir ini adalah sebagai berikut : Monitoring dilakukan 1 node pada lantai tiga dan 1 gateway. Parameter yang dimonitoring yakni tegangan, arus. 1.5
Metodologi
Metodologi pembahasan pada proyek akhir ini direncanakan seperti yang tercantum berikut ini: 1. Studi Literatur Dalam studi literatur ini dilakukan pengumpulan data-data hardware melalui referensi-referensi yang telah ada, diantaranya referensi mengenai mikrokontroler, sensor tegangan, sensor arus, zero crossing detector serta kompononen-komponen yang digunakan dalam pembuatan proyek akhir ini.
x
2.
Perancangan Sistem Melakukan perancangan sistem Tugas Akhir secara umum. Rancang bangun rangkaian sensor arus, sensor tegangan, rangkaian zero crossing, phase detector, rangkaian actuator relays, rangkaian mikrokontroller, rangkaian server modul zigbee serta rangkaian penunjang lainnya.
3.
Perancangan Perangkat Keras Pada tahap ini merupakan tahap pembuatan perangkat keras yang didapat dari beberapa referensi meliputi: Merancang dan membuat minimum sistem untuk terminal masukan dan keluaran dari mikrokontroller Atmega 128. Pembuatan rangkaian sensor arus, sensor tegangan, zero crossing detector, rangkaian power supply, rangkaian buffer.
4.
Pembuatan dan pengukuran/pengujian perangkat keras dan perangkat lunak. Dari hasil perancangan, selanjutnya dilakukan pembuatan perangkat keras. Apabila pembuatan masing–masing perangkat keras selesai maka dilanjutkan dengan pengujian pada masing–masing blok sebelum dilakukan integrasi. Pengujian hardware berupa uji coba pada sensor arus, sensor tegangan relay dan zero crossing detector apakah sensorsensor tersebut bekerja dengan baik pada saat diberi input. Begitu juga mikrokontroller apakah mikrokontroller bekerja sesuai dengan program yang dibuat dan juga apakah rangkaian actuator relay bekerja sesuai perencanaan.
5.
Integrasi dan Analisa Sistem. Hasil dari pembuatan perangkat keras dan perangkat lunak, diintegrasikan sehingga terbentuk sebuah sistem yang dapat bekerjasama, kemudian dilakukan pengujian sistem secara keseluruhan, dari hasil pengujian tersebut dilakukan analisa dan memberikan kesimpulan.
6.
Membuat laporan
xi
Pembuatan laporan dilakukan pada saat proyek akhir ini mulai dibuat. Didalam pembuatan laporan semua dari hasil pengerjaan proyek akhir harus dijelaskan dengan baik dan sesuai dengan hasil proyek akhir.
1.6 Sistematika Pembahasan Sistematika pembahasan penyusunan Tugas Akhir ini direncanakan sebagai berikut: BAB I
: PENDAHULUAN
Bab ini membahas pendahuluan yang terdiri dari latar belakang, tujuan, metodologi, permasalahan, batasan masalah, sistematika pembahasan Tugas Akhir dan tinjauan pustaka. BAB II : TEORI PENUNJANG Bab ini membahas teori-teori yang menunjang dan berkaitan dengan penyelesaian Tugas Akhir, antara lain teori capasitor bank, sensor tegangan dan arus, rangkaian zero crossing dan phase detector, arus inrush, soft switch, capasitor bank dan mikrokontroller. BAB III : PERENCANAAN DAN PEMBUATAN Bab ini membahas tahap perencanaan dan proses pembuatan perangkat keras Tugas Akhir. BAB IV : PENGUJIAN DAN ANALISA Bab ini membahas secara keseluruhan dari sistem dan dilakukan pengujian serta analisa pada setiap percobaan perangkat keras. Mengintegrasikan seluruh sistem dan pengujian, kemudian berdasarkan data hasil pengujian dan dilakukan analisa terhadap keseluruhan sistem. BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN Bab ini membahas kesimpulan dari pembahasan, perencanaan, pengujian dan analisa berdasarkan data hasil pengujian sistem. Untuk meningkatkan hasil akhir yang lebih baik diberikan saran-saran terhadap hasil pembuatan Tugas Akhir.
xii
1.7
Tinjauan Pustaka Pada pengerjaan Proyek Akhir ini penulis menggunakan beberapa literatur sebagai acuan, salah satunya adalah proyek akhir yang dibuat oleh Moch. Harun Arrosyid dengan judul “Implementasi Wireless Sensor Network Untuk Monitoring Parameter Energi Listrik Sebagai Peningkatan Layanan Bagi Penyedia Energy Listrik”. Pada proyek akhir ini diterangkan bagaimana memonitoring parameter energi listrik menggunakan wireless sensor yang kemudian data yang diperoleh dimasukkan ke database dan ditampilkan ke web pada ponsel. pada proyek akhir ini juga menggunakan paper yang berjudul “Design and
Implementation of a Wireless Sensor Networkfor Intelligent Light Control” dari universitas california amerika yang mana disitu menjelaskan pemanfaatan tentang wireless sensor network dalam mengontrol lampu penerangan dengan cerdas.
xiii
BAB II TEORI PENUNJANG 2.1
Wireless Sensor Network (WSN) Sensor yang telah terintegrasi ke sebuah mesin atau sebuah alat yang di kopel dengan pengiriman yang sangat efisien dapat menghasilkan keuntungan yang sangat signifikan. Sebuah wireless sensor network secara umum terdiri dari sebuah gateway yang dapat berkomunikasi dengan salah satu sensor wireless melalui hubungan radio frekuensi. Wireless sensor network sendiri merupakan sebuah jaringan nirkabel yang terdiri dari beberapa sensor node(sensor wireless). Ada beberapa topologi dari wireless sensor network, diantaranya: Star topology, adalah topologi komunikasi dimana single gateway dapat mengirim atau menerima ke/dari sensor node. Sensor tidak diijinkan untuk mengirim/menerima pesan dari sensor node lainnya. Mesh topology, mesh network mengijinkan antar sensor node untuk mengirim atau menerima pesan dari sensor node lainnya dengan range radio transmisi yang memungkinkan. Tree topology, pada topologi ini sensor node akan mengirimkan pesan ke sensor node yang tertinggi, sensor node yang tertinggi adalah sensor node yang terdekat dengan gateway.
xiv
1
Gambar 2.1 Topologi dari wireless sensor network.
2
Gambar 2.2 blok diagram fungsi dari sensor node.
2.2 Sensor 2.2.1 Sensor Tegangan
1
__,” Bluetooth Based Wireless Sensor Networks –Implementation Issues and Solutions” Srdjan Krco. Hal 6 2
Ibid, hal 7
xv
Untuk mengambil sinyal tegangan AC dari plant yang ada agar bisa dibaca oleh mikrokontroller maka sinyal tegangan AC tersebut harus di cuplik dan di searahkan kemudian di masukkan ke ADC internal mikrokontroller. Rangkaian sensor tegangan kali ini menggunakan prinsip pembagi tegangan, seperti gambar dibawah ini.
Gambar 2.3 sensor tegangan menggunakan prinsip pembagi tegangan.
keluaran dari sensor tegangan ini dirancang mempunyai 2 keluaran yakni keluaran berupa tegangan AC dan tegangan DC yang mana keluaran tegangan DC digunakan untuk di masukkan ke ADC mikrokontroller untuk diolah, sedangkan keluaran tegangan AC dari sensor tegangan digunakan untuk di masukkan ke rangkaian zero crossing detector.
2.2.2
Sensor Arus
ACS712 merupakan suatu IC terpaket yang mana berguna untuk sensor arus menggantikan trafo arus yang relatif besar dalam hal ukuran. Pada prinsipnya ACS712 sama dengan sensor efek
xvi
hall lainnya yaitu dengan memanfaatkan medan magnetik di sekitar arus kemudian dikonversi menjadi tegangan yang linier dengan perubahan arus. Nilai variabel dari sensor ini merupakan input untuk mikrokontroller yang kemudian diolah. Keluaran dari ACS712 masih berupa sinyal tegangan AC, agar dapat diolah oleh mikrokontroller maka sinyal tegangan AC ini di searahkan oleh rangkaian penyearah. Seperti pada gambar dibawah ini.
3
Gambar 2. 4 Contoh aplikasi dari rangkaian sensor arus ACS712.
3
“Datasheet ACS712” hal 12.
xvii
4
2.2.3
Gambar 2. 5 Karakteristik input dan output dari ACS 712.
Zero Crossing dan Phase Detector (Detektor Phasa)
Untuk mengetahui dan mendeteksi adanya perbedaan sudut phase antara sinyal tegangan dan sinyal arus maka digunakan rangkaian zero crossing detector dan rangkaian EXOR. Sinyal sinus dari arus dan tegangan dirubah menjadi sinyal persegi dengan menggunakan metode zero crossing detector, yakni dengan membadingkan sinyal keluaran dari sensor arus dan tegangan dengan ground(0), apabila sinyal sinus berada di phase positif mana akan bernilai high dan apabila sinyal berada di phase negatif maka benilai low, keluaran dari rangkaian zero crossing ini kemudian di masukkan ke rangkaian EXOR yang kemudian dapat dilihat nilai beda phasenya seperti ditunjukkan pada gambar dibawah ini.
4
Ibid, Hal 8.
xviii
5
Gambar 2.6 rangkaian zero crossing detector dan EXOR untuk mendapatkan nilai beda phase.
2.3 Mikrokontroller 2.3.1 Pengertian Mikrokontroler adalah sebuah sistem komputer fungsional dalam sebuah chip. Di dalamnya terkandung sebuah inti prosesor, memori (sejumlah kecil RAM, memori program, atau keduanya), dan perlengkapan input output. Dengan kata lain, mikrokontroler adalah suatu alat elektronika digital yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara khusus,
2.3.2
ATmega128
ATmega128 merupakan salah satu jenis mikrokontroller buatan ATMEL yang mana mempunyai beberapa kelebihan sebagai berikut : 5
B.Yoyok W.P, “Perancangan Watt Meter Digital 1 Fasa Dengan Mikrokontroller AT89S51”,09, Unika Sogijapranata http://joaldera.blogspot.com/2008/05/perancangan-watt-meter-digital-1fasa.html, hal 1
xix
Nonvolatile Program and Data Memories – 128K Bytes of In-System Reprogrammable Flash Daya Tahan: 10,000 Write/Erase Cycles. – 4K Bytes EEPROM Daya Tahan: 100,000 Write/Erase Cycles – 4K Bytes Internal SRAM Peripheral Features – 8-channel, 10-bit ADC 8 Single-ended Channels 7 Differential Channels 2 Differential Channels with Programmable Gain at 1x, 10x, or 200x – Byte-oriented Two-wire Serial Interface (I2C) – Dual Programmable Serial USARTs – Master/Slave SPI Serial Interface • Operating Voltages – 4.5 - 5.5V • Speed Grades – 0 - 16 MHz
2.3.3
XBee PRO RF Module
XBee PRO merupakan modul radio frekuensi yang beroperasi pada frekuensi 2.4 GHz. Sesuai datasheet, Modul ini memerlukan tegangan suplai 2.8 V sampai dengan 3.3 V saat mengirim data, modul ini akan membebani dengan arus 270 mA, dan arus 55mA untuk penerimaan data. Pada XBee PRO terdapat 20 pin, namun yang sementara ini digunakan adalah 6 pin, yaitu VCC dan GND untuk tegangan suplai, DOUT merupakan pin Transmit (TX), DIN merupakan pin Receive (RX), RESET merupakan pin reset XBee PRO dan yang terakhir adalah PWMO/RSSI merupakan indikator bahwa ada penerimaan data yang biasanya dihubungkan ke led yang didrive oleh transistor. Pada gambar 2.9 ditunjukkan bentuk fisik dari XBee PRO dan untuk keterangan dari setiap kaki XBee PRO dijelaskan pada table 2.1.
xx
6
Gambar 2.6 Pin konfigurasi Xbee PRO9.
Tabel 2.1 keterangan pin konfigurasi Xbee PRO9.
6
Datasheet Xbee PRO, dari Stanford http://ssdl.stanford.edu/ssdl/images/stories/AA236/0708A/Lab/Rover/Parts/ xbeeproproductmanual.pdf, hal 5
xxi
*untuk sementara ini, pin tersebut belum bisa digunakan 2.3.4
Real Time Clock
Real-time clock disingkat RTC adalah jam di komputer yang umumnya berupa sirkuit terpadu yang berfungsi sebagai pemelihara waktu. RTC umumnya memiliki catu daya terpisah dari catu daya komputer (umumnya berupa baterai litium) sehingga dapat tetap berfungsi ketika catu daya komputer terputus. Kebanyakan RTC menggunakan osilator kristal. Jenis RTC yang kami gunakan adalah DS1307 yang mempunyai spesifikasi sebagai berikut : Real-time clock (RTC) meyimpan data- data detik, menit, jam, tanggal, bulan, hari dalam seminggu, dan tahun valid hingga 2100 56-byte, battery-backed, RAM nonvolatile (NV) RAM untuk penyimpanan Antarmuka serial Two-wire (I2C) Sinyal luaran gelombang-kotak terprogram (Programmable squarewave) Deteksi otomatis kegagalan-daya (power- fail) dan rangkaian switch
xxii
Konsumsi daya kurang dari 500nA menggunakn mode baterei cadangan dengan operasional osilator .
7
Gambar 2.7 Pin konfigurasi DS1307.
7
Datasheet DS1307. dari Datasheet catalog http://www.datasheetcatalog.com/datasheets_pdf/D/S/1/3/DS1307.shtml, hal 1
xxiii
BAB III PERENCANAAN DAN PEMBUATAN PERANGKAT KERAS
3.1
Pendahuluan
Pada bab ini dibahas mengenai perencanaan perangkat keras yang berhubungan dengan proses penyelesaian Proyek Akhir. Berikut ini dibahas terlebih dahulu tentang blok diagram dari konfigurasi sistem perangkat keras sebelum melangkah ke prinsip dan cara kerja dari perangkat secara keseluruhan.
Adapun sistem perangkat keras yang direncanakan meliputi beberapa bagian yaitu:
Perencanaan dan pembuatan sensor arus. Perencanaan dan pembuatan sensor tegangan. Perencanaan dan pembuatan sensor cahaya. Perencanaan dan pembuatan rangkaian zero crossing detector. Perencanaan dan pembuatan rangkaian switch relay. Perencanaan dan pembuatan minimum system. 3.2
Konfigurasi Sistem
xxiv
Ga mba r 3.1 Dia gra m blok .
xxv
Pada gambar 3.1 diatas ditunjukkan konfigurasi sistem wireless sensor networking. Jaringan sensor nirkabel merupakan suatu jaringan yang mana terdapat beberapa sensor yang diletakkan di beberapa tempat yang berbeda. Sensor-sensor tersebut akan mensensor obyek dan mengirimkan data secara nirkabel menuju gateway. Parameter yang akan disensor meliputi arus, tegangan, intensitas cahaya, nilai beda phase.
Tegangan, arus dan intensitas cahaya yang disensor akan di masukkan ke ADC internal mikrokontroller yang kemudian akan diolah. Nilai beda phase, arus, tegangan dan intensitas cahaya beserta waktu penyimpanan (menggunakan RTC) akan di kirim ke gateway yang kemudian akan disimpan di PC dengan database yang telah disediakan.
Sensor node 1
gateway
Sensor node 2
xxvi
Sensor node 3 PC & Database
Gambar 3.2 Blok diagram wireless sensor network untuk monitoring energi listrik.
Sensor Arus (ACS712)
Pengkondisi sinyal
Sensor tegangan & sensor arus.
xxvii
RTC
ADC internal
Xbee Pro
Sensor Tegangan (voltage divider)
Pengkondisi sinyal
Sensor beda phase
Zero Crossing Detector
Pendeteksi beda phase
Digital input
EXOR
Power Supply
Atmega 128 Zero Crossing Detector
Gambar 3.3 blok diagram sensor node.
3.3
Perencanaan dan pembuatan sensor
xxviii
Pada proyek akhir ini akan direncanakan dan dibuat 4 sensor, yakni sensor arus, sensor tegangan, sensor cahaya dan sensor beda phase yang mana hasil dari pembacaan sensor tersebut akan diolah oleh mikrokontroller.
3.3.1 Sensor Arus. Untuk mensensor arus pada proyek akhir ini menggunakan integrated circuit yakni ACS712 untuk menggantikan trafo arus. Pada datasheet hasil keluaran dari ACS712 adalah berupa tegangan AC yang mempunyai komponen DC sebesar 2.5 volt.
xxix
8
Gambar 3.4 Contoh rangkaian aplikasi sensor arus ACS 712 dan gelombang tegangan output sensor arus ASC 712.
Agar dapat diolah dan di masukkan ke ADC internal mikrokontroller maka keluaran dari sensor arus harus dirubah ke sinyal DC seperti gambar dibawah ini.
8
“Datasheet ACS712” hal 2.
xxx
9
Gambar 3.5 rangkaian sensor arus yang telah disearahkan.
Keluaran dari sensor arus ini juga akan dimasukkan ke rangkaian zero crossing detector, namun dikarena keluaran dari AS712 ini tidak menyentuh garis ground(0) maka rangkaian sensor arus ini perlu dimodifikasi agar keluaran sensor arus ini yang berupa sinyal AC dapat menyentuh garis ground sehingga dapat diolah ke rangkaian zero crossing detector.
Dengan penambahan kapasitor yang diseri dengan pin kaki no 7 dari ACS712 maka didapatkan keluaran ACS712 yang berupa sinyal sinus yang menyentuh ground(0). Nilai kapasitor bernilai 100mikro farad.
9
Ibid, Hal 12
xxxi
Gambar 3.6 gelombang sensor arus ACS712 dengan rangkaian yang telah dimodifikasi.
3.3.2 Sensor Tegangan
Pada perencanaan dan pembuatan sensor tegangan di proyek akhir ini tidak menggunakan trafo tegangan, disebabkan untuk menghindari adanya pergeseran phase senhingga mempengaruhi pembacaan dari rangkaian detektor phase. Untuk itu sensor tegangan kali ini menggunakan prinsip pembagi tegangan. Seperti rangkaian dibawah ini.
xxxii
Gambar 3.7 sensor tegangan.
Resistor yang digunakan adalah resistor yang berdaya 0.25 watt. Maka perlu dicari nilai resistor minimum yang dapat
xxxiii
digunakan pada rangkaian sensor ini untuk mencari nilai R minimum dapat hitung sebagai berikut.
Vin= 220VAC
𝑃=
𝑉2 𝑅
0.25 =
2202 𝑅
R=193.600Ω
Jadi resistor minimum yang harus dipenuhi adalah 193.600Ω, agar resistor tidak panas dan terbakar.
Untuk mendapatkan Vout AC dari sensor tegangan yang akan di masukkan ke rangkaian detector phase maka nilai resistor dapat dicari sebagai berikut.
R5=220k Ω (ditentukan) Vout AC=5VAC (ditentukan)
xxxiv
𝑉𝑜𝑢𝑡 𝐴𝐶 =
5=
𝑅6 𝑥220 𝑅6 + 𝑅5
𝑅6 𝑥220 𝑅6 + 220000
R6=5116.27 Ω
Nilai resistor yang ada di resistor adalah 5K6 Ω, maka outputnya 5.46 VAC. Untuk mendapatkan Vout DC maka nilai R dapat dihitung sebagai berikut.
Nilai R1=R5, R2=R6 Jadi output tegangan AC nya.
𝑉𝑜𝑢𝑡 𝐴𝐶 =
5600 𝑥220 220000 + 5600
Vout AC=5.4VAC.
xxxv
Kemudian disearahkan menggunakan penyearah halfbridge. Sehingga output dari penyearah adalah.
Vout penyearah=5.4√2x0.318=2.42VDC
Keluaran dari penyearah masih mempunyai ripple, maka dibutuhkan kapasitor untuk mengurangi ripple tersebut, namun pada perencanaan sensor tegangan kali ini tidak mengutamakan besarnya ripple yang berkurang, tpi lebih mengutamakan responsifitas dari sensor tersebut. Direncanakan sensor tegangan mempunyai respon time sebesar 1s maka perhitungannya sebagai berikut.
τ=R.C
R ditentukan nilanya sebesar 100000Ω, τ ditentukan bernilai 1s. 𝐶=
1 100000
Jadi nilai kapasitor yang terpasang adalah 10μF.
3.3.3 Detektor Phase(Zero Crossing Detector)
xxxvi
Untuk mendapatkan nilai beda phase maka digunakan rangkaian zero crossing detector, rangkaian ini berguna untuk merubah sinyal sinus dari sensor tegangan dan sensor arus menjadi sinyal kotak, dari sinyal kotak ini kemudian di masukkan ke rangkaian EXOR guna mendapatkan beda phase nya.
10
Gambar 3.8 rangkaian zero crossing detector.
10
B.Yoyok W.P, “Perancangan Watt Meter Digital 1 Fasa Dengan Mikrokontroller AT89S51”,09, Unika Sogijapranata http://joaldera.blogspot.com/2008/05/perancangan-watt-meter-digital-1fasa.html, hal 1
xxxvii
11
Gambar 3.9 rangkaian zero crossing detector dan EXOR untuk mendapatkan nilai beda phase nya.
11
Ibid, hal 2.
xxxviii
3.3.4 minimum system Untuk hardware dari wsn yang dibuat, terdiri dari beberapa rangkaian yaitu minimum sistem mikrokontroller ATMega 128, seperti ditunjukkan pada gambar 3.10
xxxix
12
Gambar 3.10 Rangkaian minimum system ATMega 128
Agar server dapat terhubung ke personal computer (PC) memerlukan koneksi dimana menggunakan komunikasi serial kabel dan menggunakan IC MAX 232 untuk mengkonversikan level tegangan TTL menjadi level RS-232. Pada gambar 3.5 ditunjukkan rangkaian converter TTl ke 232.
13
Gambar 3.11 Rangkaian converter TTL to RS-232.
12 13
“Datasheet Atmega128, hal 8. “Datasheet MAX232”, hal 3.
xl
Sensor node mengirimkan paket-paket data ke server secara nirkabel dan modul yang digunakan komuniksi nirkabel yaitu XbeePRO yang dimana rangkaiannya seperti gambar 3.12
14
Gambar 3.12 Rangkaian modul radio frekuensi (Xbee PRO).
Pada saat sensor membaca data (tegangan,arus,kecepatan), sensor node akan mengirimkan data tersebut ke server yang selanjutnya akan disimpan pada database beserta waktu pembacaan data, sehingga diperlukan suatu IC yang dapat digunakan untuk membaca waktu. IC yang digunakan adalah IC RTC jenis DS1307. Pada gambar 3.7 ditunjukkan rangkaian DS1307.
14
“Datasheet Xbee Pro” hal 3.
xli
3.3.5 Real Time Clock Real-time clock disingkat RTC adalah jam di komputer yang umumnya berupa sirkuit terpadu yang berfungsi sebagai pemelihara waktu. RTC umumnya memiliki catu daya terpisah dari catu daya komputer (umumnya berupa baterai litium) sehingga dapat tetap berfungsi ketika catu daya komputer terputus. Kebanyakan RTC menggunakan osilator kristal. Jenis RTC yang kami gunakan adalah DS1307 yang mempunyai spesifikasi sebagai berikut : Real-time clock (RTC) meyimpan data- data detik, menit, jam, tanggal, bulan, hari dalam seminggu, dan tahun valid hingga 2100 56-byte, battery-backed, RAM nonvolatile (NV) RAM untuk penyimpanan Antarmuka serial Two-wire (I2C) Sinyal luaran gelombang-kotak terprogram (Programmable squarewave) Deteksi otomatis kegagalan-daya (power- fail) dan rangkaian switch Konsumsi daya kurang dari 500nA menggunakn mode baterei cadangan dengan operasional osilator.
xlii
15
Gambar 3.13 Rangkaian real time clock (DS1307).
15
“Datasheet DS1307”, hal 2.
xliii
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA
4.1
Pengujian rangkaian sensor
Pengujian sensor ini digunakan untuk melihat apakah alat yang telah dibuat sesuai yang telah direncanakan, hasil dari sensor digunakan untuk menhitung energi listrik yang telah dipakai. 4.1.1 Sensor Tegangan Hasil dari sensor tegangan menggunakan rangkaian pembagi tegangan sesuai dengan harapan. Hasil rangkaian sensor tegangan tidak menimbulkan pergeseran fasa yang biasa terjadi pada sensor tegangan dengan rangkaian perbandingan trafo. Hasil sensor tegangan akan digunakan untuk mendeteksi beda phase di rangkaian zero crossing. Rangkaian sensor yang digunakan adalah rangkaian pembagi tegangan.
Tabel 4.1 data sensor tegangan. no
VAC
VDC
1
0
0.10
2
10
0.21
3
15
0.33
4
20
0.56
5
25
0.57
xliv
6
30
0.68
7
35
0.78
8
40
0.90
9
45
1.01
10
50
1.12
11
55
1.22
12
60
1.35
13
65
1.45
14
70
1.56
15
75
1.69
16
80
1.80
17
85
1.90
18
90
2.02
19
95
2.13
20
100
2.24
21
105
2.35
22
110
2.47
23
115
2.57
24
120
2.68
25
125
2.79
26
130
2.91
27
135
3.03
28
140
3.13
29
145
3.2
xlv
30
150
3.36
31
155
3.45
32
160
3.59
33
165
3.70
34
170
3.80
35
175
3.93
36
180
4.05
37
185
4.18
38
190
4.28
39
195
4.37
40
200
4.51
41
205
4.6
42
210
4.73
44
215
4.65
45
220
4.99
xlvi
250
200 150 100 50
0.10 0.55
0
Gambar 4.1 linearitas sensor tegangan.
Gambar 4.2 rangkaian sensor tegangan. 4.1.2 Sensor Arus Hasil dari sensor arus yang diambil menggunakan ACS712 berupa tegangan DC yang akan dimasukkan ke ADC internal mikrokontroller.
xlvii
Gambar 4.3 rangkaian sensor arus.
Tabel 4.2 data sensor arus. N A V o m o p u e t r ( e V D ( C A ) ) m V 1 0
1 8 1 1 m V
xlviii
2 0 . 5
1 8 3 4 m V
3 1
1 8 6 0 m V
4 1 . 5
1 9 0 0 m V
5 2
1 9 4 1 m V
6 2 . 5
2 0 0 1 m V
7 3
2 0 7 0
xlix
m V 8 3 . 5
2 1 3 0 m V
9 4
2 1 9 0 m V
1 4 0 . 5
2 2 3 0 m V
1 5 1
2 2 8 0 m V
l
Series 1 6 5 4 3 2 1 0 2280
2230
2190
2130
2040
2001
1941
1900
1860
1834
1811
Series 1
Gambar 4.4 linearitas sensor arus.
4.1.3 Detektor phase (zero crossing detector) Rangkaian zero crossing dan phase detector merupakan kelanjutan sensor arus dan sensor tegangan, sinyal output yang dihasilkan sensor tegangan dan sensor arus kemudian diolah oleh rangkaian zero crossing dan kemudian diolah oleh IC-XOR dan kemudian menghasilkan sinya step yang menginformasikan data beda fasa antara tegangan dan arus. IC-XOR digunakan sebagai penjumlah dari 2 sinyal input yaitu sinyal arus dan tegangan yang merupakan keluaran dari zero crossing yang mempunyai beda phase, seperti yang kita ketahui bahwa IC-XOR memiliki cara kerja sebagai berikut:
li
1. Jika kedua input berlogika sama maka output akan bernilai logika “0”. 2. Jika kedua input berlogika tidak sama maka output akan bernilai logika “1”. Sinyal gelombang kotak yang keluar dari zero crossing arus dan tegangan masuk ke rangkaian komparator untuk dibandingkan dengan menggunakan IC TTL XOR 74LS86 sehingga diketahui perbedaan sudut phase antara tegangan dan arus mengalir pada beban. ‘
Gambar 4.5 Gelombang sensor tegangan dan sensor arus beban lampu pijar
lii
Gambar 4.6 Gelombang output pembagi tegangan sensor arus dan sensor tegangan beban lampu pijar.
Gambar 4.7 Gelombang output output exor 74LS 86 gelombang arus dan tegangan beban lampu pijar.
Dari gambar diatas dapat dihitung besarnya cosphi untuk beban lampu pijar. Diketahui : Time/div = 2 ms Lebar pulsa= 0,2 div Maka : ton = lebar pulsa x Time/div = 0,2 x 2 ms
liii
= 0,4 ms
Φ = *ton / periode (ms)] x periode(sudut)] Φ = ( 0,2 / 20 ) x 360° Φ = 0,01 x 360° = 3,6° Cos Φ = 0,998
liv
Gambar 4.8 Gelombang output EX-OR 74ls86 dengan beban lampu TL 1x18W
Dari gambar diatas dapat dihitung besarnya cosphi untuk beban TL1x18W. Diketahui : Time/div = 2 ms Lebar pulsa= 1,3 div Maka : ton = lebar pulsa x Time/div = 1,4 x 2 ms = 2,6 ms
Φ = *ton / periode (ms)] x periode(sudut)] Φ = ( 2,6 / 20 ) x 360° Φ = 0,13 x 360° = 46,8° Cos Φ = 0,68
lv
Gambar 4.9 rangkaian zero crossing detector dan EXOR.
lvi
4.2
Pengujian integrasi alat.
Pada tahap ini rangkaian dari sensor-sensor dan rangkaian pendukung lainnya akan di integrasikan dan diterapkan di plant. Setelah itu diambil data-data dari pengujian alat yang telah di integrasikan.
Tabel 4.3 Hasil rata-rata Monitoring parameter daya .
Tempat
Tegangan
Arus
Daya
Wilayah 1
210.58VAC
2.2 A
422 W
Wilayah 2
210.59 VAC
2.06 A
432 W
Wilayah 3
210.59 VAC
2.17 A
457 W
Data diatas adalah hasil rata-rata dari pengambilan data yang dilakukan pada rentang tertentu pada plant yakni jam 04.30 – 05.15 disampling sebanyak 200 data.
lvii
Gambar 4.10 sampling data pada plant.
lviii
BAB V PENUTUP
5.1.
Kesimpulan Setelah dilakukan proses perencanaan, pembuatan dan pengujian alat serta dengan membandingkan dengan teori-teori penunjang, dan dari data yang didapat maka dapat kami simpulkan mengenai rancang bangun 1.
Agar sensor arus dapat dibaca oleh rangkaian EXOR maka perlu dilakukan modifikasi pada rangkaian arus ACS712 dengan menambahkan kapasitor bernilai 100mikro farad, ini dikarenakan keluaran dari sensor arus berupa sinyal AC yang mempunyai komponen DC sehingga sinyal AC tidak menyentuh garis ground(0).
2.
Pembuatan sensor tegangan menggunakan trafo tegangan dapat mempengaruhi pembacaan nilai beda phase, pembuatan sensor tegangan dengan pembagi tegangan akan lebih baik pada rangkaian EXOR.
3.
Arus dapat disensor menggunakan IC ACS712 sedangkan tegangan dapat disensor menggunakan rangkaian pembagi tegangan.
5.2 Saran-saran Pada pengerjaan Tugas Akhir ini tentu tidak lepas dari berbagai macam kekurangan dan kelemahan, baik itu pada sistem maupun pada peralatan yang telah dibuat.
lix
Untuk memperbaiki kekurangan-kekurangan dari peralatan, maka perlu melakukan hala-hal sebagai berikut: 1.
2.
Keluaran dari sensor arus harus menyentuh garis ground(0), dikarenakan ini sangat berpengaruh pada keluaran zero crossing. Respon time dari sensor tegangan sangat penting pada plan yang mempunyai tegangan yang fluktuatif.
DAFTAR PUSTAKA
1. 2. 3.
Wireless World Research Forum, “Book of Visions”, http://www.wireless-world-research.org Bluetooth Based Wireless Sensor Networks –Implementation Issues and Solutions, Srdjan Krco. Design and Implementation of a Wireless Sensor Network for Intelligent Light Control, Heemin Park and Mani B. Srivastava. Networked and Embedded Systems Laboratory Electrical Engineering Department University of California, Los Angeles
lx
lxi
