Pengembangan Scaner Ultrasonik untuk Pemantauan Pertumbuhan Tanaman: Kinerja Sensor Ultrasonik Berbasis Mikrokontroler AVR ATmega8 Oleh: Bambang Purwantana1 ABSTRAK Pemantauan terhadap perkembangan pertumbuhan tanaman merupakan salah satu kajian penting dalam penerapan pertanian presisi. Kemampuan untuk secara akurat memantau pertumbuhan tanaman sangat membantu manajemen pemberian input sarana produksi dan pemeliharaan tanaman. Suatu metode pengukuran tinggi tanaman dengan sensor jarak tengah dikembangkan untuk keperluan pemantauan pertumbuhan tanaman. Sensor jarak dengan gelombang ultrasonik dipilih sebagai piranti ukur atas dasar pertimbangan kepraktisan dan kesepadanan teknologi serta biaya yang tidak mahal. Suatu antarmuka sistem sensor ultrasonik dikembangkan menggunakan mikrokontroler berbasis AVR ATmega8. Kinerja sistem sensor diuji pada berbagai variasi tingkat luasan, kekasaran, kekerasan, dan posisi sudut obyek. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sampai pengukuran pada jarak 150 cm, sistem sensor masih mampu mendeteksi obyek dengan luasan 0,2 cm2 dan sudut obyek 75o terhadap bidang horizontal. Kekasaran dan kekerasan obyek tidak berpengaruh nyata terhadap hasil pengukuran. Kata kunci: ultrasonik, mikrokontrol, jarak, remote PENDAHULUAN Perbaikan managemen budidaya melalui pengendalian pemberian input dan pengelolaan pertumbuhan secara efisien merupakan salah satu upaya yang terus dikembangkan dalam budidaya pertanian. Dalam pengendalian input benih misalnya, Chosa et al. (1998), melakukan kajian tentang perilaku pertumbuhan tanaman padi yang dibudidayakan secara sebar langsung. Variasi pertumbuhan tanaman diamati untuk keperluan manajemen pasca tanam. Pengamatan pertumbuhan tanaman pada umumnya didasarkan atas tiga parameter yaitu warna, kerapatan dan tinggi tanaman. Ketiga parameter tersebut dapat dikombinasikan untuk meberikan informasi yang terbaik. Pengamatan terhadap variasi warna dan kerapatan tanaman telah mulai banyak dilakukan. Okado (1996). dan Shibata et al. (2000), mengamati pertumbuhan tanaman padi secara langsung di lahan menggunakan metode pengolahan citra. Melalui penelitian ini dihasilkan peta citra yang kemudian digunakan untuk keperluan manajemen budidaya. Inoue, 1998, memanfaatkan penginderaan jarak jauh menggunakan data satelit untuk memetakan warna dan kerapatan tanaman untuk keperluan pemantauan pertumbuhan tanaman. Pemantauan terhadap perubahan tinggi tanaman masih belum banyak dilakukan (Chosa et al. 2000). Manajemen budidaya yang tepat sangat ditentukan oleh keakuratan informasi yang diberikan, disamping kontinuitas pemberian informasi itu sendiri. Pada tanaman individual 1
Dosen Jurusan Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Gadjah Mada, Jl. Sosio Yustisia, Bulaksumur, Yogyakarta 55281. E-mail:
[email protected] 1
pemberian informasi perubahan tinggi tanaman lebih mudah dilakukan karena obyek yang terbatas dan variasi yang umumnya tidak sangat berbeda. Pada tanaman yang dibudidayakan secara hamparan, biaya informasi akan menjadi sangat besar bila diberikan dalam bentuk individual per tanaman. Informasi berupa peta luasan dengan karakteristik perbedaan ketinggian dan kerapatan untuk menggambarkan variasi perbedaan informasi merupakan cara yang cukup praktis dan efisien. Atas dasar alasan-alasan tersebut beberapa penelitian tengah dilakukan untuk mengembangkan suatu peralatan dan metode yang mampu memetakan secara kontinyu perkembangan pertumbuhan tanaman dalam bentuk peta kontur sebagai alat bantu pengelolaan budidaya tanaman. Penelitian ini akan memfokuskan pada pengukuran perkembangan tinggi tanaman. Dengan pertimbangan kesepadanan teknologi, biaya dan kepraktisan penerapannya, dipilih pengukuran menggunakan gelombang ultrasonik. Sensor ultrasonik ini secara mudah dapat dipasangkan pada suatu perangkat yang berada diatas kumpulan tanaman dan bisa menjelajahi suatu hamparan sehingga berdasarkan output data yang diperoleh yang berupa scan tinggi tanaman dapat digambarkan dalam bentuk peta kontur. Pada aplikasinya, metode dan peralatan yang akan dikembangkan diarahkan untuk pemakaian pada budidaya hortikultura khususnya yang dilakukan dalam kubung atau rumah kaca. Dalam pengembangan perangkat elektronik saat ini telah tersedia berbagai fasilitas pembantu yang dapat lebih menyederhanakan dan mengefisienkan pembuatan perangkat keras maupun perangkat lunak sistem; salah stunya adalah fasilitas mikrokontroler. Oleh karena itu dalam pengembangan sensor ultrasonik ini kami menggunakan mikrokontroler sebagai perangkat antar muka (interface) sensor. Dengan mempertimbangkan kepraktisan dan biaya serta fasilitas program yang disediakan mikrokontrol, dipilih mikrokontroler Atmega8 sebagai antar muka. Penelitian ini merupakan tahap awal dari rangkaian kegiatan pengembangan sensor ultrasonik untuk pemantauan pertumbuhan tanaman. Dalam penelitian ini tujuan utama adalah mengkaji kinerja sensor ultrasonik yang menggunakan mikrokontroler Atmega8 tersebut. Hasil penelitian akan digunakan sebagai bahan rekomendasi dalam pengembangan sensor ultrasonik tahap selanjutnya. . ULTRASONIK DALAM BUDIDAYA PERTANIAN Ultrasonik merupakan bentuk gelombang suara yang mempunyai frekuensi diatas kemampuan normal pendengaran manusia. Sistem scan ultrasonik merupakan salah satu contoh pemanfaatan gelombang ultrasonik dalam otomatisasi akuisisi data dan pengolahan citra. Sistem ini mengintegrasikan instrumen ultrasonik, scanning, dan kontrol komputer. Besaran sinyal dan periode sinyal diukur pada setiap titik pada bidang scan. Nilai-nilai diplotkan menggunakan warna, atau arsiran, untuk menggambarkan detail citra dari permukaan luar atau dalam dari suatu komponen. Dibidang pertanian, pemanfaatan teknologi ultrasonik mulai banyak digunakan baik dalam tahapan budidaya, prosesing, pengolahan, pengamatan mutu, dan juga pada mesinmesin. Mizrach et al. (1996), mulai menggunakan teknik ultrasonik untuk pengamatan sifat fisik dan kualitas buah alpokat dari periode buah muda sampai matang. Dari hasil penelitian ditunjukan bahwa terdapat hubungan kuadratik antara kematangan buah dengan waktu penyimpanan. Hubungan persamaan kubik antara kecepatan gelombang sinyal ultrasonik terhadap waktu juga ditunjukkan dalam penelitian ini. Aziz et al. (2004), menggunakan gelombang ultrasonik untuk membuat karakterisasi canopy tanaman jagung selama periode pertumbuhan. Tinggi rerata dari tanaman dihitung atas dasar hasil pengukuran individual. Pertumbuhan tanaman dihitung berdasarkan jumlah daun yang terdeteksi. Model interaksi sinyal terhadap daun dibuat untuk memprediksi
2
bagian mana dari permukaan daun yang mengasilkan sinyal pantulan yang dapat dideteksi secara optimal dengan sensor. Pojana et al. (2006) menerapkan metode ultrasonik untuk membersihkan produk pertanian dari unsur-unsur mikroorganisme dan sisa bahan kimia. Diperoleh kesimpulan bahwa pada frekuensi 38.794 KHz, gelombang ultrasonik mampu mengeliminasi mikroorganisme dan sisa bahan kimia pada bahan sampai batas keamanannya. Disamping trhadap bahan atau produk, ultrasonik di bidang pertanian juga telah diterapkan pada mesin-mesin produksi. Guo et al. (2002), memanfaatkan sensor ultrasonik untuk pengembangan sistem peringatan dini pada mesin pertanian. Sistem dirancang untuk mendeteksi obyek bergerak yang mengarah ke mesin. Sensor ultrasonik digunakan untuk mendeteksi jarak obyek ke mesin dan memberikan informasi kepada pengemudi tentang posisi obyek tersebut. Steven dan Alarcon (2001), menggunakan sensor ultrasonik untuk mengatur ketinggian optimal pesawat pertanian dalam pekerjaan penebaran benih, pupuk, dan obatobatan. Disamping pengaturan ketinggian, juga tengah diteliti pemanfaatan sensor ultrasonik untuk membuat diskriminasi atau pembedaan antara gulma dan tanaman sehingga pemberian pupuk dan obat akan lebih efektif dan dapat dilakukan secara otomatisasi. Instrumentasi, pilot kontrol, dam sistem penginderaan jauh berbasis video digital diadaptasikan untuk digunakan oleh pilot dan untuk memberikan pasca-olah citra (image post-processing) yang efisien. Dengan cara demikian keberadaan gulma dapat secara baik dibedakan dari tanaman dengan menggunakan suatu metode klasifikasi sistem analisis citra seperti misalnya ENVI 3.4. Berdasar pengalaman temuan-temuan diatas, maka diyakini bahwa metode ultrasonik dapat secara sepadan diterapkan dalam mendeteksi tinggi tanaman sebagai salah satu toloh ukur pertumbuhan atau perkembangan tanaman.
METODE PENELITIAN Bahan dan Alat Bahan-bahan utama yang digunakan dalam penelitian ini adalah sensor ultrasonik tipe double speaker, mikrokontrol ATmega8, komponen elektronika, papan dengan beberapa tingkat luasan, papan/media dengan beberapa tingkat kekerasan, papan/kertas dengan beberapa tingkat kekasaran. Dalam penelitian ini sensor ultrasonik yang digunakan adalah Devantech SRF05 yang mempunyai tingkat frekuensi kerja 40 kHz dan kemampuan jangkauan jarak 3 – 400 cm. Mikrokontroler Atmega8 dirangkai sebagai antar muka dengan diagram seperti pada Gambar 1. Papan dengan diameter 0,5 cm, 1 cm, 2,5 cm, 5 cm dan 10 cm digunakan untuk pengukuran pengaruh luasan. Lembaran spons dengan lima tingkat kekerasan (dari lunak ke keras dan diberi symbol k1, k2, k3, k4, k5) digunakan untuk pengukuran pengaruh kekerasan. Kertas gosok dari halus ke kasar dengan kode ukuran P1000, P320, P180, P80, dan P 50 digunakan untuk mengukur pengaruh kekasaran. Peralatan yang digunakan dalam penelitian meliputi komputer, multimeter, osiloskop, mistar, dan data logger. Osiloskop digunakan untuk mengetahui tingkat kestabilan catu daya selama proses pengukuran. Komputer digunakan untuk pemrograman dan perakaman data, sedangkan backing data juga direkam melalui datalogger. Rangkaian peralatan dalam proses pengukuran diilustrasikan melalui Gambar 2.
3
DATALOGGER
KOMPUTER
STAND
SENSOR + INTERFA CE OBYEK
Gambar 1. Peta komponen antarmuka
Gambar 2. Rangkaian peralatan pengukuran
Prosedur Penelitian Secara umum mekanisme pengambilan data adalah dengan meletakkan obyek yang diukur pada jarak yang ditentukan dari sensor. Melalui keyboard komputer diberikan perintah membaca yang dilakukan dengan menekan tombol C untuk pembacaan dalam cm, atau I untuk pembacaan dalam inchi sesuai program yang dikembangkan. Output hasil pembacaan direkam baik melalui komputer maupun data logger sebagai backup data. Pengaruh luasan terhadap kinerja pengukuran dilakukan dengan membuat variasi luasan media yang diukur dan jarak pengukuran. Media yang diukur berupa papan dengan diameter 0,5 cm, 1 cm, 2,5 cm, 5 cm dan 10 cm diletakkan pada holder di bawah sensor. Pengukuran jarak sensor ke media dilakukan pada jarak antara 10 sampai dengan 150 cm dengan interval 10 cm. Masing-masing pengukuran dilakukan pengulangan sebanyak tiga kali. Kertas gosok ukuran P1000, P320, P180, P80, dan P50, masing-masing dengan diameter 10 cm digunakan untuk pengukuran pengaruh kekasaran terhadap kinerja pengukuran jarak. Pengukuran jarak sensor ke media juga dilakukan mulai jarak 10 sampai dengan 150 cm dengan interval 10 cm. Masing-masing pengukuran dilakukan pengulangan sebanyak tiga kali. Kinerja pengukuran pada beberapa tingkat kekerasan permukaan obyek dilakukan dengan mengukur jarak sensor terhadap spon yang memiliki beberapa variasi kekerasan. Sedangkan kinerja pengukuran untuk berbagai posisi sudut obyek dilakukan dengan mengubah sudut obyek relatif terhadap sumbu horisontal dengan variasi 0, 15, 30, 45, 60, dan 75°. Masing-masing pengukuran dilakukan pada berbagai variasi jarak dan dilakukan pengulangan sebanyak tiga kali. Hasil-hasil pengukuran selanjutnya diplotkan dalam bentuk grafik dan dianalisa prosentase penyimpangannya terhadap hasil pengukuran manual. Uji statistik (uji T) dilakukan untuk menentukan pengaruh masing-masing perlakuan terhadap kinerja pengukuran. 4
HASIL DAN PEMBAHASAN Kinerja pengukuran pada berbagai variasi luasan obyek Rangkuman hasil pembacaan jarak dengan sensor ultrasonik berbasis mikrokontroler AVR ATmega8 pada berbagai variasi luasan obyek disajikan pada Tabel 1. Secara umum dapat dilihat bahwa semakin besar jarak antara obyek dengan sensor semakin besar pula selisih atau beda jarak antara hasil bacaan dengan jarak nyata. Perbedaan ini bukan suatu bentuk kesalahan atau cacat sensor namun lebih karena belum dimasukkannya faktor-faktor lingkungan seperti suhu dan kelembaban pada formula yang digunakan dalam program. Perbedaan ini akan dengan mudah diperbaiki dengan memasukkan faktor koreksi melalui proses kalberasi. Sebagian energi gelombang ultrasonik diperhitungkan diserap oleh lingkungan dengan jumlah yang dipengaruhi oleh jarak maupun parameter fisik lungkungan tersebut. Faktor-faktor ini tengah dikaji dalam penelitian lain sebagai bagian dari penelitian ini. Tabel 1. Jarak terbaca pada berbagai luasan obyek Jarak (cm) 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0 130.0 140.0 150.0 160.0 170.0 180.0 190.0 200.0
A= 8.9 17.3 25.4 33.8 42.5 50.9 59.6 67.7 76.4 84.9 93.3 101.8 110.3 119.2 127.7 136.5 144.7 152.8 161.2 169.8
A= 78,5 8.9 17.2 25.4 33.8 42.4 50.8 59.5 67.8 76.4 84.9 93.2 101.7 110.5 119.4 127.5 136.3 144.5 152.4 160.9 169.9
Jarak terbaca (cm) A= 19,6 A= 4,9 8.8 8.9 17.3 17.2 25.3 25.3 33.7 33.7 42.4 42.3 50.6 50.7 59.6 59.5 67.5 67.3 76.5 76.4 84.8 84.9 93.4 93.2 101.8 101.8 110.6 110.5 119.1 119.1 127.6 127.3 136.4 136.2 144.5 144.4 152.7 152.4 159.6 159.7 169.2 169.3
A= 0,8 8.8 17.2 25.3 33.7 42.3 50.6 59.4 67.2 76.3 84.7 93.2 101.6 110.4 119.0 127.2 136.4 144.4 157.5 159.7 174.3
A= 0.2 8.8 17.2 25.3 33.7 42.3 50.6 59.5 67.2 76.4 84.8 93.2 101.6 110.2 119.2 134.6 136.1 151.8 152.6 159.7 169.1
2
Keterangan: A = luasan (cm )
Luasan obyek tidak berpengaruh nyata terhadap output pengukuran jarak sampai dengan jarak pengukuran obyek 150 cm. Namun demikian pada obyek-obyek dengan luasan kecil pengukuran jarak obyek lebih dari 150 cm menunjukkan ketidak konsistenan hasil bacaan seperti diilustrasikan melalui Gambar 3. Obyek yang kecil diperkirakan tidak 5
memantulkan gelombang kearah receiver sensor secara sempurna sehingga yang terbaca oleh sensor adalah gelombang berikutnya dari permukaan atau bidang tempat obyek diletakkan. Dengan demikian karena luasan daun, tunas atau mahkota di ujung pertumbuhan tanaman adalah relatif kecil maka dalam operasional pengamatan perkembangan tinggi tanaman direkomendasikan peletakan posisi sensor tidak lebih dari 150 cm dari posisi ujung tanaman.
Gambar 3. Selisih jarak terukur pada berbagai luasan obyek (A) Kinerja pengukuran pada berbagai variasi sudut obyek Gambar 4 memperlihatkan selisih jarak yang terbaca sensor dengan jarak pengukuran manual pada obyek dengan beberapa variasi sudut. Obyek yang digunakan dalam pengukuran adalah berupa plat dengan tebal 1 mm dan luasan 5 cm x 5 cm. Terlihat bahwa sensor jarak ultrasonik masih mampu mendeteksi dengan baik obyek yang mempunyai kemiringan sampai 75°. Meskipun demikian pada jarak diatas 150 cm terdapat beberapa penyimpangan yang relatif besar atau bahkan dalam data pengamatan keluar sebagai “error” dengan pengertian sensor tidak mampu mendeteksi obyek. Hal ini, seperti pada kasus luasan obyek, diprediksi karena pantulan gelombang yang tidak bisa secara sempurna diterima receiver sensor.
Gambar 4. Selisih jarak terukur pada berbagai posisi sudut obyek (α)
6
Kinerja pengukuran pada berbagai variasi kekerasan obyek Pada pengukuran kinerja sensor oleh pengaruh kekerasan obyek diperoleh hasil bahwa pada interval jarak pengukuran yang dilakukan tidak ada perbedaan yang sangat nyata antara hasil pengukuran jarak pada obyek yang sangat keras sampai dengan obyek yang sangat lunak (Gambar 5). Hal ini menunjukkan bahwa besaran energi gelombang yang diserap oleh obyek yang keras tidak terlalu berbeda dengan energi yang diserap oleh obyek yang lunak. Dengan demikian secara operasional sensor dapat digunakan untuk mendeteksi obyek tanaman dengan sifat fisik berupa kekerasan yang berlainan.
Gambar 5. Selisih jarak terukur pada berbagai kekerasan obyek (K0: sangat keras; K5: sangat lunak) Kinerja pengukuran pada berbagai variasi kekasaran obyek Pengukuran kekasaran obyek pada interval jarak pengukuran yang dilakukan tidak mengakibatkan perbedaan yang sangat nyata antara hasil pengukuran jarak pada obyek yang sangat halus sampai dengan obyek yang sangat kasar (Gambar 6). Hal ini juga menunjukkan bahwa besaran energi gelombang yang diserap oleh obyek yang halus tidak terlalu berbeda dengan energi yang diserap oleh obyek yang kasar. Dengan demikian secara operasional sensor dapat digunakan untuk mendeteksi obyek tanaman dengan sifat fisik berupa kekasaran yang berlainan.
Gambar 6. Selisih jarak terukur pada berbagai kekasaran obyek (P∞: sangat halus; P50: sangat kasar) 7
KESIMPULAN 1.
2. 3. 4.
Sensor ultrasonic dengan antarmuka AVR ATmega8 mampu mengukur jarak dengan baik suatu obyek dengan luasan sampai 0,2 cm2 dan posisi obyek dengan sudut kemiringan sampai 75 terhadap bidang horisontal sampai dengan jarak pengukuran 150 cm. Kekerasan dan kekasaran obyek tidak berpengaruh secara nyata terhadap hasil pengukuran jarak. Sensor ultrasonik dengan antarmuka AVR ATmega8 dapat direkomendasikan untuk pengukuran berbagai jenis dan sifat fisik tanaman. Meskipun range pengukuran berdasarkan spesifikasinya dapat mencapai 4 m, namun untuk hasil pembacaan yang baik sebaiknya digunakan pada jarak kurang dari 150 cm.
DAFTAR PUSTAKA Azis S.A., Steward B.L., Birrel S.J., Kaspar T.C., Shresta D.S. 2004. Ultrasonic scanning for corn plant canopy characterization. ASAE Anual Meeting, 2004. Chosa, T., Kobayashi, K. Dan M. Daikoku. 1998. Investigation of the deviation of the yield in direct sowing of a paddy field. Japanese Journal of Farm Work Research 33(1):27-28 Chosa, T., Kobayashi, K. dan M. Omine. 2000. Ultrasonic scanner for monitoring rice growth. Proceedings International Agricultural Engineering Conference, Bangkok, December 4-7, 2000. 73-78 Guo L., Zhang O., Han S., 2002. Agricultural machinery safety alert system using ultrasonic sensors. Jornal of Agricultural Safety Health No.8(4):385-396 Inoue, Y. 1998. Application of Remote Sensing to Information-based Precision Farming Management (part 3). Jornal of the Japanese Society of Agricultural Machinery 60(3):141-150 Mizrach A., Galili N., Gan-mor S., Flitsanova U., Progosin I. 1996. Model of ultrasonic parameters to assess avacado properties and shelf life. Journal of Agricultural Engineering Research 65:261-267 Okado, M. 1996. Studies on the Measurement of the Color of Rice Leaves by Image Processing (part 3). Jornal of the Japanese Society of Agricultural Machinery 58(5):65-70 Pojana S., Buntoon C., Chaiyapom S., Ekkachai N., Chaiyong H., 2006. Application of ultrasonic for cleaning fresh agricultural products. Research Report, Department of Farm Mechanics, Faculty of Agriculture, Kasesart University, Nakorn Pathom 73140, Thailand Shibata, Y., Araki, K., Toriyama, K., Sasaki, R., Asano, O., dan M. Hirokawa. 2000. Development of Image Mapping System. Jornal of the Japanese Society of Agricultural Machinery 62(2):175-177 Steven J.T., Alarcon V.J. 2001. Geo-refenced digital imaging and ultrasonic altitude sensing agricultural aircraft pilot controls, instrumentation, and system evaluations. ASAE Anual Meeting 2001.
8
