JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
1
Otomatisasi Sistem Perlintasan Kereta Api Menggunakan Sensor Inframerah dan Sensor Getaran dengan Metode Modulasi Frekuensi Azka Aprianta Tiantoro dan Ary Mazharuddin Shiddiqi Jurusan Teknik Infromatika, Fakultas Teknologi Infomasi, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia E-mail:
[email protected] Abstrak—Pintu perlintasan kereta api memiliki peranan yang penting untuk keselamatan pengguna jalan saat kereta api melintas di jalur lalu lintas. Pintu perlintasan ini menutup lalu lintas jalan raya saat kereta api akan melintas. Kemudian pintu perlintasan ini akan terbuka kembali untuk pengguna jalan setelah kereta melintasi persimpangan. Metode modulasi frekuensi merupakan proses menumpangkan sinyal informasi pada sinyal pembawa (carrier) sehingga frekuensi gelombang pembawa berubah sesuai dengan perubahan simpangan (tegangan) gelombang sinyal informasi. Sinyal informasi yang dimodulasikan (ditumpangkan) pada gelombang pembawa menyebabkan perubahan frekuensi gelombang pembawa sesuai dengan perubahan sinyal informasi. Pada modulasi frekuensi sinyal informasi mengubah-ubah frekuensi gelombang pembawa, sedangkan amplitude-nya konstan selama proses modulasi. Data yang digunakan untuk melakukan pendeteksian merupakan data yang diperoleh dari sensor getaran dan sensor inframerah yang diolah dengan menggunakan microcontroller Arduino. Dari microcontroller menghasilkan output data berupa tegangan analog kemudian data tersebut dikirimkan menggunakan pemancar FM. Besar nilai yang di hasilkan oleh microcontroller berpengaruh dari besarnya getaran di sekitar sensor getaran tersebut. Dari hasil uji coba system, dapat disimpulkan bahwa system mampu mendeteksi dan membedakan getaran yang ditangkap oleh sensor getaran. Getaran yang ditangkap oleh sensor memiliki nilai yang berbeda-beda. Untuk nilai rata-rata getaran pada kereta api tercatat sebesar 0,298 g. Sedangkan untuk kendaraan motor, mobil dan truk memiliki rata-rata nilai getaran masing-masing 0,00025 g, 0,011 g dan 0,054 g. Kata Kunci—Arduion, Microcontroller, Modulasi Frekuensi, Pintu Perlintasan Kereta Api
P
I. PENDAHULUAN
intu perlintasan kereta api memiliki peranan yang penting untuk keselamatan pengguna jalan saat kereta api melintas di jalur lalu lintas. Pintu perlintasan ini menutup lalu lintas jalan raya saat kereta api akan melintas. Kemudian pintu perlintasan ini akan terbuka kembali untuk pengguna jalan setelah kereta melintasi persimpangan. Pintu perlintasan ini dapat dibagi menjadi dua kategori. • Secara manual. • Secara otomatis. Untuk pintu perlintasan secara manual, sistem buka dan tutupnya pintu dikendalikan langsung oleh petugas kereta api yang berada di pos pintu perlintasan. Sedangkan untuk pintu perlintasan secara otomatis, sistem pengendali buka tutup pintu perlintasan dikerjakan penuh oleh mesin.
Di Indonesia saat ini seluruh sistem pengendalian pintu perlintasan kereta api masih menggunakan metode manual. Sehingga kecelakaan di perlintasan kereta api masih sering terjadi, tercatat pada tahun 2011 ada 48 kasus kecelakaan kereta api dengan korban hingga 112 orang [6]. Ada beberapa faktor yang menjadi penyebab utama kecelakaan kereta api, di antaranya adalah: • Faktor human error, dimana petugas perlintasan kereta api lalai dalam menjalankan tugasnya. • Tidak tepatnya jeda waktu antara pemberian tanda adanya kereta api yang akan melintas dengan waktu tiba kereta api di perlintasan, sehingga kadang pengguna jalan memperkirakan kereta api masih jauh dari perlintasan. • Masih banyaknya perlintasan kereta api yang tidak memiliki pintu perlintasan kereta api, terutama di jalan yang sepi, sehingga pengguna lalu lintas tidak mengetahui adanya kereta api yang akan melintas. Salah satu solusi untuk menyelesaikan masalah di atas adalah dengan membangun sistem perlintasan kereta api yang otomatis. Kelebihan dari sistem adalah tidak adanya human error dan memungkinkan penambahan pintu perlintasan yang baru di tempat yang belum memiliki pintu perlintasan kereta api dengan biaya operasional yang murah. II. KAJIAN PUSTAKA A. Microcontroller Arduino Arduino merupakan sebuah microcontroller berbasis single-board yang bersifat open-source. Arduino dirancang untuk menggantikan tugas komputer sebagai alat untuk menerima input-an dari kondisi lingkungan sekitar. Arduino lebih ditujukan untuk mengendalikan perangkat keras dibandingkan komputer. Board Arduino dibangun menggunakan processor Atmel AVR. Arduino mendukung input data digital dan analog serta output data digital. Pada board Arduino terdapat boot-loader Arduino yang dapat di program dengan menggunakan bahasa pemrograman C. Dalam sebuah microcontroller Arduino dapat pula ditanamkan berbagai macam library maupun metode selama kapasitas memori dari sebuah microcontroller mencukupi [1].
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
Gambar. 1. Output sensor gertaran berdasarkan besar lekukan [3].
Arduino juga menggunakan Integrated Development Environment (IDE) berbasis processing dimana processing adalah bahasa open-source untuk menuliskan program ke komputer lainnya. Jika ada sebuah project yang memerlukan beberapa komputer untuk berkomunikasi dengan Arduino, maka processing tersebut dapat digunakan, sehingga komputer-komputer tersebut dapat saling berkomunikasi dengan Arduino. Arduino dapat dipasangkan dengan berbagai macam sensor, sebagai contoh yaitu sensor getaran berbasis piezoelectric. Arduino juga dapat digunakan untuk mengendalikan berbagai alat, sebagai contoh untuk mengendalikan motor servo. Untuk berkomunikasi dengan komputer dapat menggunakan berbagai macam cara, antara lain menggunakan kabel serial, ethernet shield, bluetooth dan lain-lain [1]. Arduino Uno merupakan board mikrokontroller dengan menggunakan ATmega328 sebagai basisnya. Di dalam Arduino Uno terdapat 14 pin sebagai input/output digital (6 pin diantaranya dapat digunakan sebagai output PWM), 6 pin analog input, 16 MHz Ceramics resonator, sebuah koneksi USB, sebuah soket power, dan sebuah tombol reset. Arduino dapat dihidupkan dengan menggunakan dengan menggukanan kabel USB, sebuah AC-to-DC adapter, maupun baterai dengan tegangan 7-12V. Program Kapasitas memori Arduino Uno adalah 32kb dan 0.5 dari kapasitas memori digunakan untuk bootloader, serta memiliki SRAM sebesar 2 Kb dan 1 Kb sebagai EEPROM [2]. B. Sensor Getaran Sensor getaran ini merupakan sensor yang dapat digunakan pada berbagai macam kebutuhan. Antara lain, sebagai sensor untuk mendeteksi getaran pada mesin cuci, alarm pada mobil, sensor untuk mendeteksi pergerakan badan. Sensor ini menggunakan bahan dasar piezoelectric PVDF polymer film setebal 28 µm. Sensor ini bekerja dengan cara mendeteksi lekukan yang dialami oleh sensor tersebut. Pada Gambar 1 menjelaskan bahwa semakin besar lekukan yang dialami oleh sensor, semakin besar juga nilai sensor yang dihasilkan [3].
2
Gambar. 2. Modulasi Gelombang FM [5].
C. Sensor Inframerah Sensor infra merah adalah komponen elektronika yang dapat mengidentifikasi cahaya infra merah. Sensor infra merah atau detektor infra merah saat ini ada yang dibuat khusus dalam satu modul dan dinamakan sebagai IR Detector Photomodules. IR Detector Photomodules merupakan chip detektor infra merah yang di dalamnya terdapat fotodiode dan penguat (amplifier). Modul yang paling umum digunakan adalah jenis TSOP (TEMIC Semiconductors Optelectronics). TSOP ini mempunyai berbagai macam tipe sesuai dengan frekuensi carrier-nya, yaitu antara 30 kHz sampai 56 kHz [4]. D. Modulasi Frekuensi Modulasi frekuensi adalah deviasi frekuensi sesaat sinyal pembawa (dari frekuensi tak bermodulasi) sesuai dengan amplitudo sesaat sinyal pemodulasi. Sinyal pembawa dapat berupa gelombang sinus, sedangkan sinyal pemodulasi (informasi) dapat berupa gelombang apa saja (sinusoidal, kotak, segitiga, atau sinyal lain semisal sinyal audio). Pada Gambar 2 mengilustrasikan modulasi sinyal pembawa sinusoidal dengan menggunakan sinyal pemodulasi yang juga berbentuk sinyal sinusoidal [5]. Pada Gambar 2 sinyal pembawa (a) akan bermodulasi dengan sinyal pemodulasi (b) sehingga membentuk sinyal termodulasi FM (c). Secara matematis, sinyal termodulasi FM dapat dinyatakan dalam (1). (1) dengan eFM em ec Vc Mf Ωc ωm
: sinyal termodulasi FM : sinyal pemodulasi : sinyal pembawa : amplitudo maksimal sinyal pembawa : indeks modulasi FM. : frekuensi sudut sinyal pembawa (radian/detik) : frekuensi sudut sinyal pemodulasi (radian/detik)
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
Pengiriman data
Microcontroller dengan sensor
Pemancar FM
Penerima FM
Microcontroller dengan motor servo
Komputer klien
Gambar. 3. Arsitektur umum sistem.
Pada modulasi frekuensi, frekuensi sinyal pembawa diubah-ubah sehingga besarnya sebanding dengan besarnya amplitudo sinyal pemodulasi. Semakin besar amplitudo sinyal pemodulasi, maka semakin besar pula frekuensi sinyal termodulasi FM. Besar selisih antara frekuensi sinyal termodulasi FM pada suatu saat dengan frekuensi sinyal pembawa disebut deviasi frekuensi. Deviasi frekuensi maksimum didefinisikan sebagai selisih antara frekuensi sinyal termodulasi tertinggi dengan terendahnya [5]. III. DESAIN SISTEM A. Deskripsi Umum Pada artikel ini akan dibangun suatu sistem pintu perlintasan kereta api secara otomatis dengan menggunakan metode modulasi frekuensi. Sistem pintu perlintasan kereta api dirancang untuk melakukan perubahan kondisi pintu perlintasan kereta api dengan trigger yang ada. Data yang akan digunakan untuk menentukan kondisi pintu perlintasan kereta api ada dua, yaitu nilai getaran yang ditangkap oleh sensor getaran serta benda yang mengintervensi sensor infra merah. Pada tugas akhir ini dibutuhkan dua buah sensor sebagai pemantau kondisi sekitar, yaitu sensor getaran dan sensor infra merah yang dihubungkan dengan menggunakan microcontroller Arduino sebagai pengolahan data yang kemudian akan dikirimkan dengan menggunakan metode modulasi frekuensi. Untuk pengiriman data penulis menggunakan sebuah pemancar FM dan sebuah penerima FM. Pada pengerjaan tugas akhir ini terdapat kondisi untuk mengetahui benda yang melintasi pada sensor sehingga sensor dapat mengidentifikasi benda yang melintas merupakan kereta api atau benda yang lain. Pengiriman data dari pemancar FM menuju pos penjaga pintu kereta api dilakukan secara terus-menerus. Pada pos penjaga pintu kereta api terdapat sebuah komputer client yang digunakan sebagai pemantau nilai getaran pada sensor serta sebagai pengambilan keputusan benda yang melintas merupakan kereta api atau bukan sesuai nilai threshold yang telah ditentukan. Jika hasil dari data menunjukkan bahwa benda yang melintas merupakan kereta api maka komputer akan mengirimkan perintah menuju microcontroller yang kemudian akan menutup pintu perlintasan kereta api. B. Arsitektur Sistem Arsitektur sistem ini ditunjukkan pada Gambar 3. Sistem ini terdiri dari perangkat transmitter dan reciever. Perangkat transmintter terdiri dari sensor getaran, pemancar inframerah, sensor inframerah, microcontroller Arduino dan pemancar
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
3
Procedure loop outVal ← 0 irVal ← call analogRead(irPin) Add delay 10 ms vibVal ← call analogRead(vibPin) Add delay 10 ms If irVal = high outVal ← vibVal * 255 / 1024 Else outVal ← 0 End Call analogWrite(outPin, outVal) end
Gambar. 4. Pseudocode proses data dari sensor 1 2 3 4
signalVal = call analogRead(signalPin) Add delay 10 ms Call Serial.Print(signalVal) print new line
1 2 3 4 5 6 7 8
If serial.available > 0 Ch ← call serial.read() If ch = ‘o’ Call servo.write(180) Else if ch = ‘c’ Call servo.write(90) End if End if
Gambar. 5. Pseudocode proses penerimaan oleh penerima FM dan menggerakkan motor servo.
FM. sedangkan untuk perangkat reciever terdiri dari penerima FM, microcontroller Arduino, komputer dan motor servo. Pada perangkat transmitter, data yang diperoleh dari sensor getaran dan sensor inframerah akan dikirim menuju microcontroller, kemudian data tersebut akan diolah sebelum dikirimkan menuju pemancar FM. Data bila nilai pada sensor inframerah bernilai 1, maka data yang dikirimkan menuju pemancar FM adalah nilai yang didapat dari sensor getaran. Apabila nilai sensor inframerah bernilai 0, maka data yang dikirimkan adalah 0. Sedangkan pada perangkat reciever,data yang dikirimkan oleh perangkat transmitter akan diterima oleh penerima FM. Kemudian data tersebut akan dikirimkan menuju komputer oleh microcontroller. Di komputer data yang diterima akan diolah dan dibandingkan dengan threshold. Apabila nilai dari data tersebut melebihi threshold yang telah ditentukan, maka komputer akan mengirimkan perintah pada microcontroller untuk membuka pintu. Sebaliknya apabila nilai lebih kecil dari threshold, maka tidak ada perubahan pada sistem. IV. IMPLEMENTASI A. Implementasi Perangkat Perangkat keras yang dibangun harus memiliki kemampuan untuk mengirimkan data yang dihasilkan oleh sensor getaran dengan menggunakan perangkat pemancar dan penerima FM. Implementasi ini menghasilkan perangkat antara lain sensor microcontroller Arduino lengkap dengan sensor getaran, pemancar inframerah dan sensor infra merah, pemancar FM, penerima FM dan microcontroller Arduino dengan modul motor servo.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print)
4
dengan data yang dikirimkan. Akan tetapi noise tersebut tidak mengganggu kinerja perangkat secara keseluruhan. C. Uji Coba Tutup Pintu Kereta Api secara Otomatis Tahap uji coba ini dilakukan untuk fungsionalitas sistem untuk menutup perlintasan secara otomatis. Data yang diterima akan ditampilkan dalam bentuk grafik dan diolah pada komputer. Dari hasil uji coba didapatkan hasil bahwa ketika nilai yang diterima lebih besar dari nilai threshold maka sistem akan mengirimkan perintah untuk menutup pintu perlintasan kereta api. Dan apabila tidak melebihi threshold, maka tidak ada perubahan pada sistem. Gambar. 6. Grafik pengiriman data oleh pemancar FM.
B. Implementasi Perangkat Lunak Implementasi perangkat lunak terbagi menjadi dua bagian, yaitu implementasi perangkat lunak pada Arduino serta implementasi perangkat lunak aplikasi desktop. Pada implementasi perangkat lunak Arduino, terdapat dua bagian, yaitu pengolahan data yang diterima oleh sensor beserta pengirimannya dan proses untuk menerima data dari penerima FM serta menggerakkan motor servo. Untuk implementasi pengolahan data yang diterima oleh sensor dapat dilihat pada Gambar 4. Sedangkan untuk implementasi menerima data dari penerima FM dan menggerakkan motor servo dapat dilihat pada Gambar 5. Kedua kode tersebut diunggah pada microcontroller Arduino. V. HASIL UJI COBA A. Uji Coba Deteksi Sensor Getaran Tahap uji coba ini dilakukan untuk mengetahui fungsionalitas sensor getaran serta akurasi dari sensor getaran. Uji coba dilakukan dengan mendeteksi getaran yang dihasilkan oleh kendaraan yang melintas. Dari uji coba didapatkan hasil perangkat mampu mendeteksi getaran yang dihasilkan oleh kendaraan yang melintas dengan skala pendeteksian 0 sampai 1000. Kendaraan yang tercatat adalah motor, mobil dan truk. Untuk motor didapatkan nilai rata-rata sebesar 0,25. Untuk mobil didapatkan rata-rata nilai 9. Sedangkan untuk truk didapatkan hasil rata-rata yang lebih tinggi, yaitu 41,3. Hal ini berarti perangkat mampu mendeteksi dengan baik getaran yang dihasilkan sesuai dengan jenis kendaraan yang melintas. B. Uji Coba Pengiriman Dengan Pemancar FM Tahap uji coba ini dilakukan untuk mengetahui pengiriman data oleh pemancar FM. Penerima FM akan menangkap pesan yang dikirimkan dan mengirimkan pada komputer. Pada komputer, data yang diterima akan ditampilkan dalam bentuk grafik. Dari uji coba didapatkan hasil pemancar FM mampu mengirimkan data yang diterima oleh sensor getaran dan diterima oleh penerima FM yang terlihat pada Gambar 6. Data yang diterima identik dengan data yang dikirimkan. Namun saat pengiriman terdapat noise yang mengakibatkan nilai yang diterima memiliki selisih yang cukup besar dibandingkan
VI. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Dari hasil pengamatan selama perancangan, implementasi dan proses uji coba, dapat diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut: 1. Dengan menggunakan microcontroller Arduino, data yang ditangkap oleh sensor getaran dan sensor inframerah dapat diterima dan diolah sebelum dikirimkan menggunakan media FM. 2. Sensor dapat mengidentifikasi benda yang melintas dengan membandingkan nilai getaran yang dihasilkan oleh benda tersebut. 3. Perangkat pemancar FM dapat digunakan sebagai solusi pengiriman data dalam bentuk sinyal analog dengan berjarak berkisar 1-2 km. Jika dibandingkan dengan menggunakan kabzel, sinyal FM tidak mengalami lossess data selama penerima masih di dalam jangkauan sinyal. Sedangkan pengiriman data menggunakan media kabel memiliki keterbatasan jarak pengiriman. 4. Data yang dikirimkan oleh pemancar FM dapat ditangkap oleh penerima FM. Namun data yang diterima mengalami sedikit perubahan nilai akibat noise yang dihasilkan oleh pemancar FM. B. Saran Selama proses pengerjaan yang meliputi perancangan, implementasi dan uji coba, ditemukan beberapa kekurangan pada sistem. Ada beberapa saran yang dapat dilakukan untuk meminimalisasi kekurangan tersebut. 1. Sensor yang digunakan masih kurang akurat dan rentan terhadap noise. Hal ini dikarenakan sensor bekerja dengan menangkap frekuensi. Oleh karena itu, frekuensi tinggi yang dihasilkan oleh perangkat di sekitarnya akan ditangkap oleh sensor getaran. Untuk pengembangan selanjutnya bisa mengganti sensor getaran dengan menggunakan sensor accelerometer. 2. Data yang dikirimkan oleh pemancar FM berbentuk data analog, sehingga data ketika dikirimkan dapat terintervensi dengan noise. Noise dapat berupa gangguan alam ataupun gangguan medan elektromagnetik. Data yang dikirimkan dapat diganti dengan data digital sehingga data yang dikirimkan dapat diterima secara akurat dan juga dapat
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) mengurangi gangguan yang disebabkan oleh gangguangangguan yang telah disebutkan. 3. Mengganti pemancar FM yang lebih baik sehingga dapat mengurangi noise yang dihasilkan. 4. Menambahkan sistem yang sama pada pos pintu perlintasan kereta api sehingga pintu dapat membuka secara otomatis. Dalam prototype yang dibangun, sistem hanya bisa menutup pintu perlintasan secara otomatis. Sedangkan untuk membuka dilakukan secara manual oleh pengguna.
DAFTAR PUSTAKA [1] Arduino, what is arduino [internet], 2013 [diakses pada tanggal 12 Juni 2013]. Diambil dari: http://www.arduino.cc/en/Guide/Introduction. [2] Arduino, Arduino uno [internet], 2013 [diakses pada tanggal 13 Juni 2013]. Diambil dari: http://arduino.cc/en/Main/arduinoBoardUno [3] Measure Specialities. (2011, April) Datasheet LTD Series. [4] Adafruid Learning System. (2012, July) IR Sensor. [Online]. http://learn.adafruit.com/ir-sensor/overview [5] Nacep Suryana, M.Sc. Modulasi Frekuensi dan Modlasi Fasa. Pusat Pengembangan Bahan Ajar: Program studi Sistem Komunikasi, UMB [6] Direktorat Jendral Perkeretaapian, Kementrian Perhubungan Republik Indonesia: jumlah kecelakaan kereta api [internet]. 2012 [diakses pada tanggal 12 Juni 2013]. Diambil dari: http://perkeretaapian.dephub.go.id/index.php?option=com_content&view =article&id=61&Itemid=62&ffe5d588932e0dd5fc957eca7f6225ad=04b6 7d1378377e16f1eda66c6bc86d26
5
