PENGEMBANGAN SISTEM PEMANTAUAN LINGKUNGAN BAWAH AIR SECARA LANGSUNG (REAL TIME)
FERDIANSYAH RAMADHAN
DEPARTEMEN ILMU DAN TEKNOLOGI KELAUTAN FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2017
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Pengembangan Sistem Pemantauan Lingkungan Bawah Air Secara Langsung (Real Time) adalah benar karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apa pun kepada perguruan tinggi mana pun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir skripsi ini. Dengan ini saya melimpahkan hak cipta dari karya tulis saya kepada Institut Pertanian Bogor. Bogor, Juni 2017 Ferdiansyah Ramadhan NIM C54120078
ABSTRAK FERDIANSYAH RAMADHAN. Pengembangan Sistem Pemantauan Lingkungan Bawah Air secara Langsung (Real Time). Dibimbing oleh INDRA JAYA. Pengembangan dan penerapan sistem pemantauan lingkungan bawah air dapat memudahkan pekerjaan manusia dalam mengamati suatu kondisi ekosistem atau biota yang sedang diteliti. Pemantauan ekosistem laut dan darat sangat penting untuk konservasi dan manajemen melalui penyediaan data jangka panjang. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan pengembangan sistem pemantauan yang dapat diaplikasikan kelak untuk studi ekosistem bawah air secara langsung (real time). Penelitian ini menggunakan wahana pelampung di permukaan air laut yang terhubung ke sistem video bawah air di dasar perairan laut. Wahana pelampung berfungsi memancarkan data video dan juga suhu ke ground segment. Hasil sistem pemantauan dapat dilihat melalui interface yang berada di darat. Sistem ini juga dapat menangkap foto serta menyimpannya pada laptop. Sistem pemantauan ini telah berhasil dikembangkan menggunakan komunikasi nirkabel untuk memancarkan data dan gambar. Kata kunci : sistem pemantauan, nirkabel, wahana pelampung, wahana video bawah air
ABSTRACT FERDIANSYAH RAMADHAN. Development of Underwater Environmental Direct (Real Time) Monitoring System. Supervised by INDRA JAYA. Development and application of underwater environmental monitoring system can facilitate human work to observe the condition of the ecosystem or biota that are under investigation. Monitoring of marine and terrestrial ecosystems is essential for the conservation and management through provision of long-term data. This study aims to develop a monitoring system which can be applied later for study of underwater ecosystem in real time. This study uses a buoy platform on the surface of sea water, which is connected by cables to underwater video system at the bottom of the sea. Buoy platform function is transmits video data and also temperature to the ground segment. The monitoring system results can be seen through the interface that is on the land. The system can also capture photos and store them on the laptop. This underwater monitoring system has been successfully developed using wireless communication to transmit data and images. Keywords: monitoring system, wireless, buoy platform, underwater video system
PENGEMBANGAN SISTEM PEMANTAUAN LINGKUNGAN BAWAH AIR SECARA LANGSUNG (REAL TIME)
FERDIANSYAH RAMADHAN
Skripsi sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Ilmu Kelautan pada Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan
DEPARTEMEN ILMU DAN TEKNOLOGI KELAUTAN FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2017
PRAKATA Puji serta syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas berkah dan rahmat yang di berikan- Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian ini dengan baik. Penelitian ini dilaksanakan sejak bulan Juli 2016 dengan judul Pengembangan Sistem Pemantauan Lingkungan Bawah Air Secara Langsung (Real Time). Karya tulis ini diajukan untuk mendapatkan gelar Sarjana Ilmu dan Teknologi Kelautan pada Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan. Penulis mengucapkan terimakasih kepada : 1. Prof. Dr. Ir. Indra Jaya, M.Sc selaku dosen pembimbing skripsi atas segala bantuan dan masukannya. 2. Muhammad Iqbal, S.Pi, M.Si selaku dosen penguji atas saran dan masukkannya dalam penyelesaian skripsi serta arahannya dalam kegiatan penelitian di Workshop Instrumentasi dan Robotika Kelautan. 3. Dr. Ir. Yuli Naulita, M.Si selaku Ketua Program Studi serta sebagai dosen perwakilan Program Studi saat ujian skripsi atas masukkan dan sarannya dalam perbaikan skripsi. 4. Bapak , ibu, adik – adik dan keluarga atas bantuan, dukungan dan doanya. 5. Bapak Yohanes dan Balai Taman Nasional Kepulauan Seribu atas bantuan fasilitas dan waktu yang telah diberikan ketika uji lapang di Pulau Pramuka. 6. Staf Laboratorium Akustik dan Instrumentasi Kelautan. 7. Seluruh Staf Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan. 8. Keluarga besar Marine Instrumentation and Telemetry (MIT) Club. 9. Teman – teman seperjuangan Black Lizard Fish ITK 49. 10. Kerabat bengkel Gibran Adhi, Triana, Dendy Daniel, Ahdiyat, Asep Fitriansyah, Tio Dwi, dan Agist Saeful atas kerja sama, semangat, dan segala bantuannya selama penulis menyelesaikan skripsi.
Bogor, Juni 2017 Ferdiansyah Ramadhan
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL
ix
DAFTAR GAMBAR
ix
DAFTAR LAMPIRAN
ix
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Tujuan Penelitian
2
METODE
2
Waktu dan Tempat
2
Alat dan Bahan
2
Prosedur Penelitian
4
HASIL DAN PEMBAHASAN
12
Hasil Rancang Bangun
12
Uji Laboratorium
16
Uji Transmisi
19
Uji Lapang Sistem
19
SIMPULAN DAN SARAN
20
Simpulan
20
Saran
20
DAFTAR PUSTAKA
21
LAMPIRAN
22
RIWAYAT HIDUP
24
DAFTAR TABEL 1 Alat yang digunakan dalam penelitian 2 Bahan yang digunakan dalam penelitian 3 Konfigurasi pin Arduino Uno dengan perangkat lain
3 3 7
DAFTAR GAMBAR 1 Peta lokasi pengambilan data 2 Desain wahana pelampung: (a) tampak depan, (b) tampak atas, (c) tampak bawah, dan (d) tampak samping 3 Desain wahana video bawah air 4 Hubungan fungsional sistem elektronika : (a) pada wahana pelampung dan VBA; (b) pada ground segment 5 Modul Arduino Uno (a) dan Rangkaian Elektronika Arduino Uno (b). 6 Skematik rangkaian penurun tegangan DC 7 Skematik rangkaian sensor suhu Dallas DS18b20 8 Skema rangkaian FPV Camera 9 Skema rangkain 3DR Radio 10 Diagram alir pengukuran data suhu oleh Arduino 11 Diagram alir sistem kerja interface 12 Skema sistem integrasi 13 Skema uji transmisi 14 Wahana pelampung saat keadaan tertutup (a) dan terbuka (b) 15 Wahana video bawah air tampak depan (a), tampak samping (b), waterproof box dalam keadaan terbuka (c), tertutup (d), dan penambahan penjepit besi (e) 16 Hasil skrip program pengukuran data sensor suhu 17 Formulir akses sistem (a) dan sistem pemantau (b) 18 Regresi linear kalibrasi sensor suhu 19 Proyeksi parameter ekstrinsik hasil kalibrasi kamera: Camera Centered (a) dan World Centered (b) 20 Sistem pemantau 21 Hasil foto dari sistem
2 4 5 6 7 8 8 9 9 10 10 11 12 13
14 15 16 17 18 19 20
DAFTAR LAMPIRAN 1 Foto proses pembuatan alat hingga uji lapang 2 Data kalibrasi suhu
22 23
PENDAHULUAN Latar Belakang Salah satu pengembangan teknologi kelautan yang perlu dilakukan adalah sistem pemantauan bawah air (Jaffe et al., 2001; Jaffe 2016). Sistem pemantauan bawah air ini dapat memudahkan pekerjaan manusia dalam melihat suatu kondisi ekosistem atau biota yang berada di bawah perairan atau dasar perairan. Indonesia yang merupakan negara maritim perlu mengembangkan teknologi kelautan untuk menjadikan negara yang mandiri akan teknologi. Beberapa pengembangan sistem pemantauan bawah air yang telah dilakukan yaitu : (1) Pemantauan bawah air mengenai geofisika dasar laut di perairan selatan Eropa (Monna et al., 2013), (2) Glider, wahana autonomous yang memantau parameter biogeokimia dan data oseanografi di Antartika (Miles et al., 2015), (3) Pemantauan pergerakan ikan menggunakan time-lapse fotografi serta parameter oseanografi untuk mencirikan hubungan dinamis antara perubahan lingkungan, aktivitas biologi serta keberadaan infrastruktur lepas pantai di North Sea (Fujii dan Jamieson, 2016), dan (4) stereo-Baited Remote Underwater Videos (stereoBRUVs) yang membandingkan data rekaman kumpulan ikan demersal antara fish trap dan stereo-BRUVs di Australia Barat. Hasil penelitian tersebut diterbitkan dalam “Comparison of the relative efficiencies of stereo-BRUVs and traps for sampling tropical continental shelf demersal fishes” yang menghasilkan data rekaman stereo-BRUVs lebih banyak rekaman jenis ikan (91 spesies dari 32 famili) dibandingkan dengan fish trap (30 spesies dan 15 famili). Selain itu, alat ini juga dapat berfungsi untuk memantau tingkah laku dari biota laut (Harvey et al., 2012). Pemantauan ekosistem laut dan darat sangat penting untuk keefektifan konservasi dan manajemen (Lindenmayer dan Likens, 2010; Reynolds et al., 2011). Pemantauan dapat memberikan informasi perubahan jangka panjang dalam kelimpahan, parameter demografi dan kondisi ekosistem (Seavy dan Reynolds, 2007; Lindenmayer dan Likens, 2010) dan dapat menginformasikan kesuksesan konservasi (Bart et al., 2004). Salah satu pemantauan ekosistem laut yang dibutuhkan adalah pemantauan ikan karang. Menurut Belwood (1988) ikan karang diklasifikasikan berdasarkan asosiasi ekologis antara karang dan ikan, dalam peran menyediakan makanan. Ada banyak family ikan karang di dunia dan setiap jenis memiliki karakteristik atau tingkah laku yang berbeda. Untuk itu diperlukan sistem pemantauan ikan karang yang berfungsi untuk memantau pola hidup ikan karang pada suatu lingkungan hidupnya. Pengembangan sistem pemantauan yang telah dilakukan oleh peneliti di atas terdapat kelebihan dan kekurangan. Kelebihan yang dimiliki yaitu teknologi yang canggih serta menghasilkan data yang cukup baik, namun di samping itu belum terdapat data video secara real time sebagai kekurangannya. Oleh karena itu, dalam skripsi ini dilakukan pengembangan sistem pemantauan lingkungan bawah air secara langsung (real time) dengan video bawah air serta sistem nirkabel. Kamera yang ditambatkan di dasar perairan dapat melihat obyek (misalnya: ikan karang), kemudian data video akan ditransmisikan oleh radio ke stasiun penerima (ground segment). Video tersebut ditampilkan pada laptop pengguna secara langsung. Oleh karena fungsi yang banyak (pemantauan ikan karang, pemantauan habitat,
2
pemantauan tingkah laku ikan karang) dan sistem transmisi data secara nirkabel, menjadi bagian dari sistem pemantauan yang dikembangkan ini. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk melakukan pengembangan sistem pemantauan lingkungan bawah air secara langsung (real time).
METODE Waktu dan Tempat Penelitian dilakukan pada bulan Juli 2016 – Februari 2017. Perancangan dan pembuatan alat dan sistem serta uji laboratorium dilakukan di Workshop Instrumentasi dan Robotika Kelautan Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan, FPIK IPB. Untuk uji coba lapang dilakukan di Pulau Pramuka Kepulauan Seribu DKI Jakarta. Gambar 1 merupakan peta lokasi pengambilan data.
Gambar 1 Peta lokasi pengambilan data Alat dan Bahan Penelitian Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian ini berupa laptop, software komputer, perkakas, alat – alat listrik, bola pelampung, pipa, komponen elektronika dan lain-lain. Adapun alat yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 1, sedangkan bahan yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 2.
3
Tabel 1. Alat yang digunakan dalam penelitain Alat Laptop
Tipe / Nilai Acer E1-401, OS Windows 7
Solder
Station solder
Digital Multimeter
HELES UX893TR
Fungsi Merancang perangkat lunak dan rangkaian skematik, pengolahan data,serta menampilkan interface Untuk menyolder antar komponen elektronik Untuk mengukur tegangan, arus dan hambatan serta hubungan antar komponen
Obeng Gerinda Listrik Bor Listrik Arduino IDE Delphi Microsoft Excel MATLAB Tv Tuner EAGLE Google SketchUP
+/Krisbow Krisbow Versi 1.8.1 Delphi 7 Versi 2013 2010 Gadmei Versi 7.1.0 Versi 2017
Menguatkan sekrup Alat pemotong Alat melubangi bahan Membuat dan mengunduh firmware Membuat interface Pengolahan data Kalibrasi Kamera Konverter CCD ke Laptop Membuat skematik rangkaian Membuat desain instrument
Tabel 2. Bahan yang digunakan dalam penelitian Bahan Bola pelampung Pipa paralon Resin & Katalis Tutup pipa (dop) Lem Araldite Pemberat Sensor suhu
Nilai / Tipe 5 inci dan 1 inci 5 inci Dallas DS18b20 Waterproof
Jumlah 1 buah 1 buah 1 liter 1 buah 2 buah 1 kg 1 buah
Kabel LAN
Outdoor
4 meter
Accumulator Switch FPV Camera IC Converter Kapasitor Resistor Konektor pin Arduino Uno 3DR Radio Waterproof Box Stainless Steel
12 V Skyzone, lebar sudut 70° IC 7805 1000 µF/25 volt, 470 µF/16 volt 10KΩ 8 pin
2 buah 1 buah 1 set 1 buah 1 buah 1 buah 1 pasang 1 unit 1 set 1 unit 1 unit
433 MHz 13 cm x 13 cm x 8cm Plat dan batangan
4
Prosedur Penelitian Rancang Bangun Sistem Perancangan Mekanik Perancangan mekanik dibagi menjadi dua bagian wahana. Wahana pertama adalah wahana pelampung dan wahana kedua adalah wahana video bawah air. Pembuatan desain kedua wahana menggunakan software Google Sketch Up 2017. a)
Wahana Pelampung Pelampung berbentuk bola berfungsi sebagai wahana untuk mengirim data suhu perairan dan data video. Di dalam wahana tersebut juga sebagai tempat rangkaian elektronika dan power supply. Pelampung tersebut memiliki diameter (D) 22 cm dimodifikasi dengan ditambahkan dop 5 inci pada bagian tengah sebagai penutup wahana dan ditambahkan antena transmitter FPV Camera dan antena 3DR Radio pada bagian atas. Gambar 2 merupakan desain wahana pelampung.
Antena Transmitter 3DR Radio Antena Transmitter FPV Dop 5 inci
22 cm Pemberat
(a)
(b) (c) (d) Gambar 2 Desain wahana pelampung: (a) tampak depan, (b) tampak atas, (c) tampak bawah, dan (d) tampak samping
5
Berdasarkan desain di atas volume (V) wahana pelampung yang berbentuk 4 mirip bola dapat diperoleh dengan persamaan : V = 3 𝑥 𝜋 𝑥 𝑟 3 , dimana r merupakan jari – jari dari bola. Selanjutnya untuk buoyancy atau gaya apung (FA) wahana agar dapat mengapung setengah dari volumenya diperoleh dengan persamaan : FA = 𝜌𝑓 𝑥 𝑉𝑏 𝑥 𝑔, dimana FA adalah gaya apung (Newton/N); 𝜌𝑓, massa jenis air laut = 1 1.025 g/cm3; 𝑉𝑏, volume benda tercelup = 2 𝑥 𝑉; dan g, percepatan gravitasi = 9.8 m/s2 . . b)
Wahana Video Bawah Air (VBA) Wahana VBA dibuat dengan menggunakan waterproof box berukuran 13 cm x 13 cm x 8cm dan ditutupi oleh kerangka dari bahan stainless steel serta diberi pemberat pada bagian bawah. Bahan stainless steel berupa plat dan batangan yang didesain untuk menutupi waterproof box. Pemberat dibuat dengan menggunakan campuran semen dan pasir. Di dalam wahana terdapat beberapa komponen elektronika. Komponen – komponen tersebut adalah Arduino Uno, transmitter FPV Camera, transmitter 3DR Radio, dan sensor suhu Dallas Themperature DS18b20. Desain wahaan VBA ditunjukkan oleh Gambar 3.
Sensor Suhu 8cm 18 cm
13 cm
10 cm Stainless Steel Frame
15 cm 13 cm (a)
10 cm 18 cm
Pemberat
18 cm 23 cm (b)
Gambar 3 Desain wahana video bawah air : (a) waterproof box dan (b) waterproof box ditutupi oleh frame
6
Perancangan Rangkaian Elektronika Perancangan sistem rangkaian elektronika menggunakan accumulator sebagai sumber tegangan listrik untuk dapat mengoperasikan dua wahana sistem. Terdapat beberapa rangkaian yaitu, rangkaian mikrokontroller, rangkaian penurun tegangan DC, rangkaian sensor suhu Dallas Themperature DS18b20, rangkaian FPV Camera, serta rangkaian 3DR Radio. Pembuatan desain rangkaian elektronik menggunakan Eagle versi 7.1.0. Sumber tegangan listrik dari accumulator memberikan tegangan pada sistem wahana. Sensor suhu pada sistem akan mengukur suhu sebagai data dan diterima oleh mikrokontroler. Data suhu kemudian dikirimkan oleh modul transmitter 3DR Radio yang terhubung dengan mikrokontroler. Kamera akan mengirimkan data video melalui transmitter FPV Camera. Pengiriman data suhu dan data video selanjutnya diterima oleh dua receiver pada ground segment, yaitu receiver 3DR Radio dan receiver FPV Camera. Kedua unit receiver tersebut terhubung oleh laptop. Sumber tegangan receiver 3DR Radio berasal dari laptop, sedangkan untuk receiver FPV Camera berasal dari accumulator. Gambar 4 menunjukkan hubungan fungsional sistem elektronika.
Accumulator 12 v
Rangkaian Penurun Tegangan DC
Transmitter 3DR Radio
Kamera
Mikrokontroler Arduino UNO
Sensor Suhu
Transmitter FPV Camera
(a) Laptop
Receiver 3DR Radio
Receiver FPV Camera
Accumulator 12 v
(b) Gambar 4 Hubungan fungsional sistem elektronika : (a) pada wahana pelampung dan VBA; (b) pada ground segment
7
a) Rangkaian mikrokontroler Mikrokontroler yang digunakan adalah Arduino Uno yang merupakan papan mikrokontroler dengan dasar ATMega 328P yang diprogram ulang melalui Arduino IDE. Proses pemogramannya menggunakan komuniksi Universal Asyncronous Receiver / Transmiter (UART) karena sudah ditanamkan Bootloader didalamnya. Arduino Uno memiliki kristal eksternal sebesar 16 MHz sehingga proses instruksinya lebih cepat. Gambar 5 merupakan tampilan Arduino Uno dan rangkaian elektronika pada Arduino Uno. Adapun konfigurasi pin Arduino Uno dengan beberapa perangkat dicantumkan pada Tabel 3. (b)
(b)
(a)
Gambar 5 Modul Arduino Uno (a) dan Rangkaian Elektronika Arduino Uno (b). Tabel 3 Konfigurasi pin Arduino Uno dengan perangkat lain . Perangkat Dallas Themperature DS18b20 Waterproof Transmitter 3DR Radio
Pin D2 5v GND 0 1
Keterangan Data Voltase Ground TX RX
b) Rangkaian Penurun Tegangan DC Rangkaian Penurun Tegangan DC merupakan rangkaian elektronika yang berfungsi untuk mengubah nilai tegangan DC mejadi lebih kecil. Pada rangkaian ini terdapat IC Regulator 7805 IC sebagai komponen utama untuk menurunkan tegangan DC dari 12 volt menjadi 5 volt. Kemudian ada komponen Kapasitor 1000 µF/25 volt, 470 µF/16 volt yang berfungsi untuk menyimpan muatan listrik sementara. Dalam rangkaian ini juga terdapat resistor 10KΩ yang berfungsi untuk menahan aliran listrik. Skematik rangkaian penurun tegangan DC ditunjukkan pada Gambar 6.
8
. Gambar 6 Skematik rangkaian penurun tegangan DC c) Rangkaian sensor suhu Dallas DS218b20 Pada penelitian ini digunakan sensor suhu Dallas DS18b20 bertipe waterproof yang diletakkan di bagian Wahana VBA. Sensor ini berfungsi untuk mengukur suhu perairan yang berada pada daerah di sekitar Wahana VBA. Sensor suhu Dallas yang digunakan tipe DS18B20 merupakan sensor suhu yang sudah waterproof dilindungi oleh bahan stainlees, sensor ini berfungsi untuk mengukur suhu. Daya yang dikonsumsi atara 3.0 – 5.5 V dan bekerja pada suhu dalam rentang -55 C sampai + 125 C (-67F – 257F) serta meiliki output yaitu Ground, Data, dan VCC. Skematik rangkaian sensor suhu Dallas DS218b20 ditunjukkan pada Gambar 7.
Gambar 7 Skematik rangkaian sensor suhu Dallas DS18b20
d) Rangkaian FPV Camera First Person View (FPV) Camera merupakan satu set bahan yang digunakan untuk mendapatkan data gambar secara langsung dan dijalankan secara nirkabel. Pada satu set FPV Camera terdapat kamera, transmitter, dan receiver. Kamera berfungsi untuk menangkap data gambar yang kemudian diteruskan pada transmitter. Transmitter berfungsi untuk mengirimkan data gambar dari kamera kepada receiver, sedangkan receiver berfungsi untuk menerima data gambar. Gambar yang diterima oleh receiver diteruskan ke interface pada laptop. FPV Camera ini bekerja pada frekuensi 5,8 GHz dengan jarak yang dapat dijangkau sekitar 80 m. Gambar 8 merupakan skema rangkaian FPV Camera.
9
Gambar 8 Skema rangkaian FPV Camera e) Rangkaian 3DR Radio 3DR Radio merupakan modul radio telemetri yang digunakan untuk komunikasi serial secara nirkabel. Pada modul ini terdapat transmitter dan receiver. Transmitter berfungsi untuk mengirimkan data serial dari Arduino Uno, sedangkan receiver berfungsi untuk menerima data serial di laptop. Komunikasi serial ini berada pada frekuensi 433 MHz. Jarak jangkauan yang dapat dicapai adalah 100 m. Gambar 9 menunjukkan skema rangakaian 3DR Radio.
Rangkaian Penurun Tegangan Gambar 9 Skema rangkain 3DR Radio Perancangan Perangkat Lunak Sensor Suhu Perangkat lunak pada sistem mikrokontroler disebut juga dengan firmware. Bahasa pemrograman yang digunakan dalam pembuatan perangkat lunak adalah bahasa C dan perancangan firmware dilakukan dengan menggunakan Arduino IDE versi 1.0.5-r2. Firmware yang telah dibuat kemudian diunduh ke mikrokontroller Arduino Uno. Perangkat lunak yang dibuat memiliki fungsi untuk membuat program pengukur suhu pada sensor Dallas Themperature DS18b20. Alur kerja perangkat lunak sistem untuk mengukur suhu oleh sensor ditunjukkan oleh Gambar 10.
10
Mulai
Inisialisasi : 1. Arduino Uno 2.Dallas DS18b20
Ambil Data Suhu
Print Data Gambar 10 Diagram alir pengukuran data suhu oleh Arduino Perancangan Interface Perancangan interface dibuat dengan menggunakan software Borland Delphi 7. Interface berfungsi untuk menampilkan data gambar dan suhu secara real time. Gambar 11 merupakan diagram alir sistem kerja dari interface. Mulai
Menghidupkan kamera dan mengatur koneksi radio untuk data suhu perairan
Input username dan password pada form log in Menampilkan data video pemantauan dan data suhu Masuk ke sistem pemantau
Tidak
Menyimpan gambar hasil pemantauan
Ya Selesai
Gambar 11 Diagram alir sistem kerja interface
11
Sistem Integrasi Sistem integrasi dilakukan dengan menggabungkan sistem kerja yang ada pada wahana pelampung dan wahana VBA serta ground segment yang ditunjukkan pada Gambar 12. Ground Segment Ground Segment Wahana pelampung Gambar 6 Skema sistem integrasi wahana pelampung
Obyek (Ikan Karang) Jangkar pemberat Jangkar pemberat wahanaWahana VBA VBA
Gambar 12 Skema sistem integrasi Uji Laboratorium Uji laboratorium dilakukan untuk memastikan semua sistem bekerja dengan baik. Ada tiga uji yang dilakukan adalah (1) uji kedap, (2) kalibrasi sensor suhu, dan (3) kalibrasi kamera. Uji kekedapan dilakukan di kolam watertank pada kedalaman 3 meter selama 2 hari di Laboratorium AIK agar kedap dan tahan terhadap tekanan air. Besar tekanan air dapat dihitung dengan persamaan : P = ρ x g x h, dimana P adalah tekanan (Pa); ρ, massa jenis air (1 g/cm3); dan h, kedalaman (m) Kalibrasi sensor suhu dilakukan untuk menghasilkan data suhu yang baik yaitu dengan meregresikan nilai suhu pada termometer dan data pada sensor suhu. Sensor suhu dan termometer ditaruh dalam bejana yang diisi air dingin yang kemudian diberi air panas sehingga suhu air berubah. Data suhu pada sensor dan nilai pada sensor suhu dicatat dalam waktu yang bersamaan. Hasil dari kedua data suhu tersebut dicari nilai regresinya dengan menggunakan Microsoft Excel. Kalibrasi kamera dilakukan untuk mengetahui nilai ekstrinsik dari FPV Camera. Kalibrasi ini dilakukan dengan menaruh pola papan catur di depan kamera, yang memiliki ukuran 5 inci x 5 inci kemudian diambil sampel foto dari berbagai perspektif. Sampel foto yang diambil diolah dengan menggunakan MATLAB.
12
Uji Transmisi Uji transmisi dilakukan di lapangan bola IPB bertujuan menguji jarak jangkauan pengiriman data video dari wahana ke ground segment. Perlakuan pengujian dengan mengubah jarak jangkauan setiap 10 meter. Gambar 13 merupakan skema uji transmisi.
80 m 70 m
60 m 50 m 40 m 30 m 20 m
Gambar 13 Skema uji transmisi Uji Lapang Uji lapang dilakukan di Pulau Pramuka Kepulauan Seribu DKI Jakarta. Pada uji lapang dimaksudkan untuk melihat kinerja sistem dan mengambil obyek bawah air, dalam hal ini ikan karang pada kedalaman 3 m.
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Rancang Bangun Mekanik Hasil penelitian ini adalah sistem yang saling terintegrasi antar wahana, yakni wahana pelampung dan wahana VBA. Wahana pelampung dibuat dari bola pelampung yang dimodifikasi dengan melubangi bagian tengah dan ditambahkan dop 5 inci untuk penutup wahana, antena transmitter FPV Camera, dan antena transmitter 3DR Radio. Wahana ini memiliki tinggi maksimal 70 cm dan diameter 22 cm. Di dalam wahana ini terdapat ruang yang berfungsi sebagai tempat komponen elektronika yaitu accumulator, rangkaian penurun tegangan DC, transmitter 3DR Radio, dan transmitter FPV Camera. Hasil perhitungan volume wahana pelampung sebesar ± 5572.45 cm3, sedangkan gaya apungnya sebesar ± 27.99 N. Gambar 14 merupakan hasil rancang bangun wahana pelampung.
13
Antena Transmitter 3DR Radio Antena Transmitter FPV Camera
(a)
Komponen Elektronika
(b) Gambar 14 Wahana pelampung saat keadaan tertutup (a) dan terbuka (b) Wahana VBA dibuat dengan menggunakan waterproof box. Waterproof box memiliki dimensi panjang x lebar x tinggi berukuran 13cm x 13cm x 8cm. Di dalam box tersebut terdapat rangkaian elektronika yang tersusun atas mikrokontroler Arduino Uno, sensor suhu Dallas Themperature DS18b20, dan kamera. Pada bagian kepala sensor suhu diletakkan keluar dari box yang dipasang di bagian sisi kiri. Selain itu, ditambahkan penjepit besi pada luar box dan rangka besi pada bagian dalam agar box kedap air serta tahan terhadap tekanan air. Bagian lain dari wahana ini adalah kerangka/frame pada bagian luar box. Frame terbuat dari plat stainless steel yang memiliki dimensi panjang x lebar x tinggi berukuran 17 cm x 15,5 cm x 10 cm. Fungsi dari frame adalah sebagai wadah untuk waterproof box. Box yang berada di dalam frame ditahan oleh dua buah plat stainless steel berukuran 3cm x 20cm yang melengkung mengikuti bagian muka frame. Frame untuk pemberat berukuran 17 cm x 23 cm yang memiliki dua tiang dengan tinggi 22 cm. Tiang tersebut berungsi untuk mengaitkan frame pemberat dengan frame waterproof box yang dikaitkan dengan tiga buah mur dan satu baut berbahan stainless steel pada setiap tiang. Pemberat dibuat menggunakan campuran semen dan pasir dengan proporsi 1:3 serta memiliki bobot 3 kg. Gambar 15 merupakan hasil rancang bangun wahana VBA.
14
(a)
(b)
(c)
(d)
(e) Gambar 15 Wahana video bawah air tampak depan (a), tampak samping (b), waterproof box dalam keadaan terbuka (c), tertutup (d), dan penambahan penjepit besi (e)
Perangkat Lunak Sensor Suhu dan Interface Perangkat lunak merupakan suatu instruksi perintah yang dibuat untuk menjalankan perangkat keras, dalam hal ini adalah Arduino Uno. Jenis perangkat lunak yang digunakan adalah Arduino IDE versi 1.5.5 dengan Bahasa C/C++. Perangkat lunak ini bersifat terbuka (Open Source) sehingga perkembangannya cukup pesat dan mudah digunakan. Perangkat lunak pada sistem ini dirancang untuk menjalankan fungsi pengambilan data suhu oleh sensor suhu Dallas DS18b20 yang terhubung pada pin mikrokontroler. Hasil skrip yang dibuat ditunjukkan pada Gambar 16.
15
Gambar 16 Hasil skrip program pengukuran data sensor suhu Setelah sistem dinyalakan maka tegangan listrik akan mengalir untuk menjalankan mikrokontroler Arduino Uno. Mikrokontroler kemudian melakukan proses inisialisasi Arduino Uno dan sensor Dallas DS18b20 yang terhubung pada pin. Sensor tersebut mengambil data suhu yang berada di sekitar lingkungan. Selanjutnya data akan di-print untuk dimunculkan pada komunikasi serial yang dapat dilihat pada interface. Interface berfungsi untuk menampilkan informasi data video secara real time serta data suhu perairan pada sistem. Interface dibuat menggunakan Delphi versi 7. Hasil rancangan interface terdiri dari formulir akses sistem dan sistem pemantau. Formulir akses sistem terdiri dari kolom user dan password dan tombol log in serta tombol exit. Tombol log in akan membawa user ke sistem pemantau apabila kolom user dan passwordnya benar. Sistem pemantau terdiri dari layar pemantaun ikan karang dan suhu perairan serta dilengkapi waktu dan tanggal pada sebelah kanan layar. Layar pemantauan terdiri dari tombol camera on, tombol capture, opsi kamera yang digunakan serta kolom preview. Pada layar suhu perairan terdapat real time chart, kolom suhu digital, tombol setup, dan tombol connect. Gambar 17 menunjukkan tampilan interface yang telah dirancang.
16
(a)
(b)
Gambar 17 Formulir akses sistem (a) dan sistem pemantau (b)
Uji Laboratorium Uji Kedap Casing wahana VBA didesain agar kedap dan tahan terhadap tekanan air. Rangkaian elektronik sangat rentan apabila terkena air karena dapat terjadi hubungan arus singkat yang dapat menyebabkan sistem rusak. Percobaan dilakukan pada kolam watertank Laboratorium Akustik dan Instrumentasi Kelautan-ITK IPB selama 2 hari pada kedalaman 3 meter. Percobaan menunjukan tidak terdapat butir air yang masuk ke dalam casing. Berdasarkan persamaan besar tekanan air, casing terbukti kedap pada tekanan air sebesar 29.4 Pa.
17
Kalibrasi Sensor Suhu Kalibrasi sensor suhu dilakukan agar mendapatkan nilai akurasi data yang baik. Proses kalibrasi dengan cara membandingkan nilai termometer dan nilai data sensor pada suatu wadah berisi air yang dingin yang kemudian dipanaskan. Perubahan suhu yang terjadi akan merubah nilai termometer dan nilai data sensor Dallas, kedua nilai tersebut dicatat dan diambil sampel sebanyak 30 sampel (Lampiran 2) pada saat bersamaan. Nilai yang tercatat tersebut kemudian dibuat regresi linear sehingga mendapatkan persamaan y=ax+b, kemudian dilakukan pengolahan data dengan menggunakan Microsoft Excel 2016. Hasil regresi ditunjukkan oleh grafik pada Gambar 18. 75
Termometer raksa (ºC)
70 65 60 55 50 45 y = 0.9621x + 2.0494 R² = 0.99
40 35 30 30
40
50
60
70
80
Sensor suhu DS18B20 (ºC)
Gambar 18 Regresi linear kalibrasi sensor suhu Hasil dari kalibrasi mendapatkan persamaan regresi linear yaitu y=0.9621x+2.0494 dengan nilai koefisien determinasi (r2) sebesar 0.99. Variabel (x) merupakan nilai dari sensor suhu Dallas sedangkan variable (y) adalah nilai termometer. Hasil regresi sensor tersebut mendapatkan nilai koefisien korelasi mendekati nilai 1 dengan selang kepercayaan 95%, dengan demikian suhu dari sensor Dallas sudah memiliki nilai akurasi yang baik karena sudah hampir sesuai dengan nilai suhu acuan dari termometer. Kalibrasi Kamera Kalibrasi kamera merupakan proses yang penting dalam computer vision (Zhang,2000). Kalibrasi kamera adalah proses untuk memperkirakan parameter lensa dan sensor citra dari sebuah kamera. Berdasarkan parameter yang didapat, maka dapat dilakukan diantaranya: perbaikan citra akibat distorsi lensa, pengukuran ukuran obyek (dimensi dan jarak), dan penentuan posisi obyek terhadap kamera. Proses kalibrasi dilakukan terutama jika kamera akan digunakan untuk memperkirakan jarak kamera terhadap obyek tertentu. Penelitian ini menggunakan perangkat lunak Matlab 2010 untuk membangun antarmuka kalibrasi kamera ini. Kamera yang dikalibrasi adalah kamera stereo.
18
Sedangkan untuk kalibrasinya sendiri digunakan tools kalibrasi kamera dari Bouguet (2015). Langkah yang dilakukan untuk kamera mono diantaranya adalah akuisisi citra, hitung dan cari parameter intrinsik, hitung dan cari parameter ekstrinsik (Weng et al., 1992). Hasil dari kalibrasi kamera mendapatkan nilai parameter intrinsik sebagai berikut : (1) Focal Length:
fc = [ 907.48 995.71] +/- [ 13.19 14.34 ]
(2) Principal point: cc = [ 342.03 265.25 ] +/- [ 19.65 18.09 ] (3) Skew: alpha_c = [ 0.00 ] +/- [ 0.00 ] => angle of pixel axes = 90.00+/0.00 degrees (4) Distortion: kc = [ -0.413 0.56 0.00 0.00 0.00] +/- [ 0.05 0.24 0.00 0.00 0.00 ] (5) Pixel error:
err = [ 1.27 1.19 ]
Nilai – nilai parameter hasil dari kalibrasi dapat digunakan untuk analisa image processing yang dapat memperbaiki hasil gambar kamera. Gambar 19 menunjukkan proyeksi parameter ekstrinsik hasil kalibrasi kamera.
Jumlah sampel foto
(a)
(b)
Gambar 19 Proyeksi parameter ekstrinsik hasil kalibrasi kamera: Camera Centered (a) dan World Centered (b)
19
Uji Transmisi Uji transmisi dilakukan pada tanggal 22 November 2016 di lapangan bola IPB. Jangkauan maksimum transmisi data yang baik oleh sistem didapatkan hasil jarak sejauh 80 meter. Uji Lapang Sistem Uji lapang dilakukan pada tanggal 2 dan 3 Februari 2017 di Pulau Pramuka, Kepulauan Seribu, DKI Jakarta. Pengujian pengamatan dan pengambilan foto dilakukan selama 3 jam. Langkah pertama yang dilakukan pada saat pengujian adalah pemasangan jangkar pada wahana pelampung kemudian menghidupkan daya dengan menekan switch pada posisi on, lalu menutup wahana tersebut. Wahana yang sudah dihidupkan ditempatkan pada permukaan air laut dan menenggelamkan jangkar. Selanjutnya wahana VBA diturunkan dengan bantuan tali tambang yang diikatkan pada wahana. Setelah itu, memasang receiver FPV Camera dan receiver 3DR Radio pada laptop laptop yang sudah dihidupkan serta membuka interface. Langkah selanjutnya yaitu melakukan log in pada interface, kemudian menekan tombol Camera On untuk menyalakan transmisi gambar dan tombol Connect untuk menjalankan transmisi data suhu. Klik Capture untuk menangkap obyek dan menyimpan data dengan fotmat jpg pada laptop. Contoh hasil pengamatan langsung obyek dan pengukuran suhu perairan di sekitar wahana dapat dilihat pada Gambar 20.
Gambar 20 Sistem pemantau Langkah selanjutnya yaitu melakukan log in pada interface. Selanjutnnya menekan tombol Camera On untuk menyalakan transmisi gambar dan tombol Connect untuk menjalankan transmisi data suhu. Klik Capture untuk menangkap
20
obyek dan menyimpan data dengan format jpg pada laptop. Suhu perairan di lingkungan sekitar wahana berkisar antara 27 – 30 °C, sedangkan Gambar 21 merupakan hasil foto oleh sistem yang didapatkan pada saat uji lapang.
Gambar 21 Hasil foto dari sistem Hasil foto sistem selama uji lapang dapat dilihat di www.teknologikelautan.com/pengembangan-sistem-pemantauan-lingkungan-bawah-air-secaralangsung-(real time) /.
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Penelitian ini telah berhasil mengembangkan sistem pemantauan lingkungan bawah air dengan menggunakan video bawah air secara real time dengan transmisi data secara nirkabel. Data pemantauan dipancarkan lalu diterima oleh receiver di ground segment yang dapat dilihat pada interface dan sistem dapat menangkap foto pemantauan obyek (ikan karang) serta disimpan pada laptop. Saran Penelitian ini diharapkan dapat dikembangkan dari sisi sistem penyimpanan video, sumber daya tegangan yang lebih maksimal, desain yang lebih baik agar dapat memberikan fungsi yang maksimal dan lebih efisien, serta sensor lain yang lebih relevan untuk pemantauan lingkungan bawah air.
21
DAFTAR PUSTAKA Bart J, Burnham KP, Dunn EH, Francis CM, Ralph CJ. 2004. Goals and strategies for estimating trends in landbird abundance. J. Wildlife Manage. Vol. 68: 611–626. Belwood DR. 1988. Ontogenetic changes in diet of early-post-settlement Scarus species (Pisces : Scaridae). Journal of Fish Biology. Vol. 33 : 213-219 Bouguet JY. 2015."Camera Calibration Toolbox for Matlab." Computational Vision at the California Institute of Technology [internet]. [diakses 2016 Desember 2016] Tersedia pada : ww.vision.caltech.edu/bouguetj/calib_doc/ Fujii T, Jamieson AJ. 2016. Fine-scale monitoring of fish movements and multiple environmental parameters around a decommissioned offshore oil platform : A pilot study in the North Sea. Ocean Engineering. Vol. 126 : 481-487 Harvey ES, Newman SJ, McLean DL, Cappo M, Meeuwig JJ, dan Skepper CL. 2012. Comparison of the relative efficiencies of stereo-BRUVs and traps for sampling tropical continental shelf demersal fishes. Fisheries Research. Vol. 125– 126: 108– 120 Jaffe JS, Moore KD, McLean J, dan Strand MP. 2001. Underwater optical imaging : status and prospects. Oceanography. Vol. 14 No. 3/2001 : 64-75 Jaffe JS. 2016. To sea and to see: That is the answer. Methods in Oceanography. Vol. 15-16 : 3-20 Lindenmayer DB, Likens GE. 2010. The science and application of ecological monitoring. Biol. Conserv. Vol. 143: 1317–1328. Miles T, Lee SH, Wahlin A, Ha HK, Kim TW, Assmann KM, Schofield O. 2015. Glider observations of the Doston Ice Shelf outlflow. Deep-Sea Research II. Vol. 123 : 16-29 Monna S et al. 2014. Underwater geophysical monitoring for European Multidisciplinary Seafloor and water column Observatories. Journal of Marine Systems. Vol. 130 : 12-30 Seavy NE, Reynolds MH. 2007. Is statistical power to detect trends a good assessment of population monitoring? Biol. Conserv. Vol. 140: 187–191. Reynolds JH, Thompson WL, Russell B. 2011. Planning for success: identifying effective and efficient survey designs for monitoring. Biol. Conserv. Vol. 144: 1278–1284. Weng J, Cohen P dan Herniou M. 1992. Camera Calibration with Distortion Models and Accuracy Evaluation. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence. Vol. 12(10), pp: 965–980. Zhang Z. 2000. A Flexible New Technique for Camera Calibration. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 22(11), pp.1330–1334.
22
Lampiran 1. Foto proses pembuatan alat hingga uji lapang
23
Lampiran 2. Data kalibrasi suhu No
Termometer
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30.
70.5 70 69 68 67 66 65 61 59.8 57 55 53.2 51 49 48 46 45.8 45.4 44.9 44 42.8 41.9 41.9 41.2 41 40 40 39.9 39.9 38
Sensor Dallas DS18b20 71.54 71.01 69.84 68.44 67.45 66.44 65.58 61.25 59.25 56.8 54.15 52.13 51.75 49.56 48.14 46.25 44.56 44.5 44.25 43.76 42.31 41.5 41.3 41.15 40.25 40.11 39.31 39.25 39.19 38.06
24
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Bogor pada tanggal 5 Maret 1994 dari orang tua yang bernama Dudi Wahyudi dan Nurjanah. Penulis merupakan putra pertama dari tiga bersaudara. Penulis menyelesaikan Sekolah Menengah Atas (SMA) di SMA Negeri 5 Kota Bogor pada tahun 2012, pada tahun yang sama penulis lolos seleksi masuk IPB melalui jalur Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN) jalur tulis dengan Beasiswa Bidik Misi dan diterima di Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan, Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan, Institut Pertanian Bogor. Selama mengikuti perkuliahan penulis pernah aktif di komunitas dan organisasi kemahasiswaan kampus. Pada Tingkat Persiapan Bersama (TPB) penulis pernah mengikuti Unit Kegiatan Mahasiswa (UKM) Sepak Bola (2012) dan Komunitas Sanggar Juara (2013) yang bergerak dalam bidang edukasi. Saat masuk departemen, penulis aktif menjadi pengurus Himpunan Profesi (Himpro) HIMITEKA periode 2014/2015 dan 2015 /2016 divisi Keilmuan dan Keprofesian serta menjadi Ketua Pelaksana Konservasi dan Survey Lapang Kelautan (KONSURV) di Prigi, Pangandaran pada tahun 2014. Penulis juga aktif dalam klub keilmuan Marine Instrumentation and Telemetry (MIT) Club dan menjadi pengurus pada tahun 2015-2016. Selain aktif di kegiatan kemahasiswaan, penulis juga aktif menjadi asisten praktikum, penulis pernah menjadi asisten praktikum Dasar-dasar Instrumentasi Kelautan tahun ajaran 2014/2015, koordinator asisten praktikum Instrumentasi Kelautan tahun ajaran 2015/2016, asisten praktikum Fisika tahun ajaran 2014/2015 dan 2015/2016. Di luar kampus, penulis aktif menjadi pengajar les private Adi Indonesia Management (ADINDO) pada tahun 2014-2017. Prestasi non-akademik yang pernah didapatkan selama menempuh pendidikan di IPB yaitu Juara 2 Sepak Bola Olimpiade Asrama TPB (2012), Juara 3 Futsal Semarak Bidik Misi IPB (2013) , dan Juara Ide Terbaik kategori muatan roket pada ajang Kompetisi Muatan Roket dan Roket INDONESIA (KOMURINDO) Tingkat Nasional pada tahun 2015 yang diselenggarakan oleh Lembaga Penerbangan dan Antariksa Nasional (LAPAN) di Pameungpeuk, Garut. Penulis pernah lolos PKM yang didanai DIKTI pada tahun 2017 dengan judul “CR – WATCH (CORAL REEF WATCH) : SISTEM TELEMETRY UNTUK MONITORING EKOSISTEM TERUMBU KARANG DALAM UPAYA MENJAGA KELESTARIAN TERUMBU KARANG”. Dalam rangka menyelesaikan studi penulis melakukan penelitian dengan judul “Pengembangan Sistem Pemantauan Lingkungan Bawah Air secara Langsung (Real Time)”.
