RADIO KOMUNIKASI DIGITAL DUA ARAH DENGAN SUMBER TENAGA YANG DAPAT DIISI ULANG MENGGUNAKAN SEL SURYA
oleh Bonus Adityas NIM : 612006002
Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga
Oktober 2013
INTISARI Tugas skripsi ini merancang dan merealisasikan sebuah sistem radio komunikasi digital dua arah. Informasi yang ditransmisikan berupa suara percakapan manusia. Catu daya yang digunakan berupa baterai. Baterai dapat diisi ulang menggunakan sel surya pada siang hari. Radio komunikasi dalam tugas skripsi ini dirancang sebagai alat komunikasi yang hemat daya. Daerah pemakaian terutama pada area outdoor dimana jaringan listrik sulit ditemui. Radio komunikasi ini diperuntukkan bagi kelompok pengguna yang memerlukan alat komunikasi di area outdoor dalam jangka waktu lama. Hasil pengujian menunjukkan bahwa jarak jangkauan radio komunikasi ini dapat mencapai 200 m. Lama pemakaian radio komunikasi dapat mencapai 16 jam setelah diuji dengan proporsi 90 detik standby, 5 detik terima dan 5 detik pancar. Pengujian yang lain menunjukkan bahwa baterai dapat diisi ulang menggunakan panel sel surya dalam waktu sekitar tiga jam. Namun hasil pengujian kualitas sinyal suara menunjukkan bahwa sinyal keluaran perangkat audio output masih didominasi derau.
i
ABSTRACT In this final report, a two way digital communication radio system is designed and built. This system carries information signal formed by human speech. Each unit of radio communication in this system uses battery as its power supply. The battery can be recharged by solar cell. The communication radio is designed to consumes power less than handy talky does. It can be operated in outdoor which is hard to get power line connection. So it can be used by user group that need communication device for long usage in outdoor. Based on the test results, the maximum range of the communication radio is 200 m in open air (line of sight). The communication radio can be used until 16 hours using test cycle with proportion : 90 seconds standby, 5 seconds transmit, and 5 seconds receive. In other test result, the baterry can be recharged by solar cell panel in about 3 hours. Meanwhile, the audio output quality is still poor. The output sound is still dominated by noise.
ii
KATA PENGANTAR Pujian dan syukur dipersembahkan kepada Tuhan Yang Maha Kuasa. Bimbingan dan kekuatan yang diberikan olehNya menuntun penulis untuk menyelesaikan tugas skripsi yang berjudul “Radio Komunikasi Digital Dua Arah dengan Sumber Tenaga yang Dapat Diisi Ulang Menggunakan Sel Surya”. Adapun tugas skripsi ini dapat direalisasikan berkat dukungan berbagai pihak. 1. Ayah dan ibu atas dukungan materiil dan morilnya, kedua kakakku perempuan atas dukungan doa dan semangatnya, serta kedua kakakku laki – laki yang selalu memberi inspirasi. 2. Bapak Ir. Lukas Bambang Setyawan, M.Sc. selaku pembimbing satu. 3. Bapak Fransiscus Dalu Setiaji, M.T. selaku pembimbing dua. 4. Para staf pengajar, laboran dan staf TU FTEK UKSW. 5. Seluruh teman – teman angkatan 2006 atas bantuan dan motivasinya. 6. Komunitas Petros, XT, LPMI, The Navigator, GB, dan Pemondokan Candra atas pelajaran berharga dan pengalaman yang tak terlupakan selama penulis berkuliah. 7. Semua teman dan pihak lain yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu. Mungkin masih terdapat beberapa kekurangan dalam tugas skripsi ini. Saran dan kritik yang konstruktif sangat membantu penulis dalam mengembangkan tugas skripsi ini menjadi lebih baik di masa depan.
Salatiga, 29 September 2013
Penulis
iii
DAFTAR ISI INTISARI ...............................................................................................................................i ABSTRACT ..........................................................................................................................ii KATA PENGANTAR ...........................................................................................................iii DAFTAR ISI .........................................................................................................................iv DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................vi DAFTAR TABEL ................................................................................................................vii BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang .........................................................................................................1 1.2. Batasan Masalah ......................................................................................................3 1.3. Spesifikasi Alat ........................................................................................................3 1.4. Sistematika Penulisan ..............................................................................................4 BAB II SISTEM RADIO KOMUNIKASI DIGITAL DUA ARAH .....................................5 BAB III PERANCANGAN 3.1. Gambaran Umum Perancangan .............................................................................10 3.2. Perangkat Transceiver 3.2.1. Mikrokontroler .............................................................................................12 3.2.2. RFM12 .........................................................................................................12 3.2.3. Saklar Pemilih Mode ....................................................................................13 3.2.4. Saklar Pemilih Kanal ....................................................................................14 3.2.5. Saklar untuk Memulai Pembicaraan ............................................................14 3.3. Perangkat Audio 3.3.1. Perangkat Audio Input ..................................................................................15 3.3.2. Perangkat Audio Output ...............................................................................18 3.4. Perangkat Lunak Protokol Komunikasi 3.4.1. Konsep Radio Induk dan Radio Anak ..........................................................22 3.4.2. Pengoperasian RFM12 3.4.2.1. Inisialisasi RFM12 .................................................................................22 iv
3.4.2.2. Pengaturan Frekuensi .............................................................................26 3.4.2.3. Prosedur Pengiriman Data ......................................................................27 3.4.2.4. Prosedur Penerimaan Data .....................................................................28 3.4.3. Konversi Sinyal Informasi Menjadi Data .....................................................29 3.4.4. Konversi data Menjadi Sinyal PWM ...........................................................30 3.4.5. Penerapan Konsep Radio Induk dan Radio Anak pada Program .................31 3.5. Pengukuran Kebutuhan Daya ................................................................................33 3.6. Perangkat Catu Daya 3.6.1. Baterai ..........................................................................................................34 3.6.2. Panel Sel Surya .............................................................................................36 3.6.3. DC to DC Converter .....................................................................................36 3.6.4. Detektor Level Tegangan Baterai .................................................................38 BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS 4.1. Pengujian Perangkat Audio ...................................................................................39 4.2. Pengujian Transmisi Informasi..............................................................................41 4.3. Pengujian Konsumsi Daya.....................................................................................43 4.4. Pengujian Lama Pemakaian...................................................................................44 4.5. Pengujian Jangkauan Komunikasi.........................................................................45 4.6. Pengujian Pengisian Ulang Baterai........................................................................46 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan ............................................................................................................48 5.2. Saran Pengembangan ............................................................................................49 DAFTAR PUSTAKA............................................................................................................50 LAMPIRAN Gambar Alat....................................................................................................................52
v
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Hubungan dan letak radio induk dan radio anak ..............................................6 Gambar 2.2. Proses pemindaian kanal ..................................................................................7 Gambar 2.3. Hubungan perangkat audio, unit pemroses, dan tranceiver data ......................8 Gambar 2.4. Hubungan antar bagian perangkat keras ..........................................................9 Gambar 3.1 Bagan perangkat keras radio komunikasi digital dua arah ..............................11 Gambar 3.2 Skematik Perangkat Transceiver .....................................................................15 Gambar 3.3 Skematik Audio Input ......................................................................................16 Gambar 3.4. Skematik tapis lolos bawah untuk audio output .............................................19 Gambar 3.5. Untai penguat untuk audio output ..................................................................21 Gambar 3.6. Diagram alir radio anak ..................................................................................23 Gambar 3.7. Diagram alir radio induk ................................................................................24 Gambar 3.8. Diagram alir prosedur pengiriman data ..........................................................28 Gambar 3.9. Diagram alir prosedur penerimaan data .........................................................30 Gambar 3.10. Diagram alir radio induk saat menerima informasi ......................................32 Gambar 3.11. Skematik Buck Converter menggunakan MC34063A .................................37 Gambar 4.1. Sinyal masukan ...............................................................................................40 Gambar 4.2. Keluaran penguat awal ...................................................................................40 Gambar 4.3. Keluaran tapis lolos bawah .............................................................................40 Gambar 4.4. Keluaran pin PWM .........................................................................................40 Gambar 4.5. Keluaran tapis PWM ......................................................................................41 Gambar 4.6. Keluaran penguat akhir ..................................................................................41 Gambar 4.7. Keluaran pin PWM radio komunikasi kedua .................................................42 Gambar 4.8. Keluaran tapis PWM radio komunikasi kedua ...............................................42 Gambar 4.9. Keluaran penguat akhir radio komunikasi kedua ...........................................43 Gambar 4.10. Untai pengujian lama pemakaian radio komunikasi.....................................45
vi
DAFTAR TABEL Tabel 1.1. Konsumsi Daya Berbagai Radio Komunikasi Analog .........................................2 Tabel 3.1. Pembagian Kanal ................................................................................................26 Tabel 3.2. Pengukuran Kebutuhan Arus Listrik ..................................................................33 Tabel 3.3. Perbandingan Karakteristik Baterai ....................................................................34 Tabel 4.1. Konsumsi Arus Radio Komunikasi ....................................................................44 Tabel 4.2. Hasil Pengujian Lama Pemakaian Baterai .........................................................45 Tabel 4.3. Hasil Pengujian Jarak Jangkauan Komunikasi ...................................................46 Tabel 4.4. Hasil Pengujian Pengisian Ulang Baterai ...........................................................47
vii
BAB I PENDAHULUAN 1.1.
Latar Belakang Radio komunikasi dua arah adalah alat komunikasi nirkabel yang masih mempunyai
peran penting untuk percakapan jarak jauh dalam suatu area. Pengoperasiannya tidak memerlukan BTS (Base Transceiver Station), koneksi dengan satelit maupun biaya tambahan untuk melangsungkan percakapan. Hal ini menyebabkan radio komunikasi dapat dipakai di area yang tidak terjangkau jaringan selular maupun satelit. Kegiatan – kegiatan yang berlangsung di area outdoor sering menggunakan radio komunikasi dua arah sebagai pilihan utama untuk alat komunikasi yang digunakan. Handy talky merupakan contoh radio komunikasi dua arah yang sering dipakai di area outdoor. Berbagai kegiatan seperti eksplorasi alam, operasi penyelamatan dan evakuasi bencana menggunakan handy talky sebagai alat komunikasi utama. Seringkali berbagai kegiatan tersebut berlangsung dalam waktu yang lama, bisa bebeberapa hari bahkan beberapa minggu. Baterai yang menjadi sumber daya handy talky harus beberapa kali diisi ulang. Jika tidak ada sarana untuk mengisi ulang baterai, maka baterai cadangan harus disediakan. Handy talky membutuhkan suplai daya yang cukup besar untuk sebuah piranti komunikasi portabel. Sebagaimana dipaparkan oleh Tabel 1.1, konsumsi daya handy talky dapat mencapai 5 Watt per unit. Kebutuhan suplai tegangan mencapai 9 V. Jika baterai yang digunakan adalah baterai Nikel (Ni – Cd atau Ni – MH) jenis AA (nominal tegangan 1,2 V), beberapa buah baterai harus digunakan. Menurut hasil tes, untuk siklus pemakaian : pancar (5 detik) → terima (5 detik) → standby (90 detik), baterai dapat dipakai setidaknya delapan jam. Waktu penggunaan baterai akan memendek jika handy talky lebih sering digunakan dalam kondisi pancar.
1
Tabel 1.1. Konsumsi Daya Berbagai Radio Komunikasi Analog1.
Tipe Radio Motorola GP-2000 Motorola GP-328/338 Kenwood TH-255
Daya
Kebutuhan
Pemakaian
Pancar (W)
Baterai
(Jam)
1–5
7,2 V
8 – 11
5
7,5 V
8 – 14
0,5 – 5,5
6–9V
8 – 15
Sumber daya untuk pengisian ulang baterai pada umumnya menggunakan jaringan listrik. Namun jika tidak tersedia jaringan listrik, baterai harus diganti dengan baterai yang masih berdaya penuh. Jadi jika handy talky digunakan di area outdoor dalam waktu lama tanpa tersedia jaringan listrik, dibutuhkan baterai cadangan dalam jumlah besar. Lain halnya dengan modul – modul transceiver data via RF (Radio Frequency) yang mulai banyak tersedia saat ini. Modul tranceiver data yang pada umumnya beroperasi pada pita ISM (Industrial, Scientific, and Medical) ini mengkonsumsi daya hanya pada kisaran puluhan sampai ratusan miliwatt. Nominal tegangan yang dibutuhkan rata – rata di bawah 5 V sehingga sebuah baterai Litium (Li – Po atau Li – Ion) atau dua buah baterai Nikel sudah cukup untuk mengoperasikan modul transceiver tersebut. Jarak jangkauan komunikasi yang dapat dicapai modul transceiver data mencapai ratusan meter, cukup untuk komunikasi di area outdoor. Beberapa kelebihan tersebut menjanjikan pemakaian modul transceiver data untuk membangun suatu sistem radio komunikasi digital dua arah yang hemat daya. Selain pemilihan modul RF yang lebih hemat daya, pemanfaatan sumber daya yang melimpah di area outdoor untuk pengisian ulang baterai juga perlu diperhatikan. Salah satu sumber daya melimpah yang dapat dipakai adalah cahaya matahari. Cahaya matahari mudah ditemukan di area terbuka dan energi cahaya yang dipancarkan dapat digunakan dengan bebas. Pemanfaatan cahaya matahari untuk pengisian ulang baterai akan mengurangi kebutuhan terhadap jaringan listrik. Demikian pula kebutuhan terhadap baterai 1 Berdasarkan tes dengan siklus pemakaian : TX (5 detik) → RX (5 detik) → Standby (5 detik). Tes ini tertera pada lembar data Motorola GP-2000 [19, h.2], Motorola GP-328/338 [20, h.5] dan Kenwood TH-255 [12, h.55].
2
cadangan juga dapat ditekan. Bertolak dari latar belakang di atas, maka tugas skripsi ini bertujuan merancang dan merealisasikan perangkat dan sistem radio komunikasi digital yang dapat digunakan untuk mengirim dan menerima informasi suara percakapan manusia. Sumber tenaga yang digunakan berupa baterai dan dapat diisi ulang menggunakan sel surya. 1.2.
Batasan Masalah Alat yang dirancang berupa radio komunikasi dua arah. Informasi yang
ditransmisikan berupa suara bicara / percakapan manusia. Frekuensi operasional radio komunikasi terletak pada pita ISM 433 MHz, sesuai dengan pita frekuensi modul transceiver data yang digunakan. Jarak jangkauan komunikasi adalah 200 meter ke segala arah tanpa halangan (menyesuaikan juga dengan modul transceiver data yang digunakan). Radio komunikasi yang dirancang menggunakan baterai yang dapat diisi ulang. Pengisian ulang menggunakan sinar matahari sebagai sumber tenaga. Dengan demikian pengisian ulang baterai dilakukan siang hari. 1.3.
Spesifikasi Alat Berdasarkan surat tugas nomor 40/I.3/FTEK/XII/2012, tertanggal 19 Desember
2012, maka skripsi ini disusun dengan spesifikasi alat sebagai berikut : 1.
Alat yang dibuat berupa empat set radio komunikasi. Masing – masing dapat difungsikan sebagai radio induk maupun radio anak. Radio induk adalah radio komunikasi yang mengatur pertukaran informasi antar radio komunikasi. Radio anak adalah radio komunikasi yang pertukaran informasinya diatur oleh radio induk. Pemilihan mode radio komunikasi tersebut (radio induk atau radio anak) diatur menggunakan sebuah saklar.
2.
Radio komunikasi beroperasi pada pita ISM 433 MHz (430,24 – 439,7575 MHz).
3.
Pengoperasian radio komunikasi menggunakan tujuh belas kanal, masing – masing selebar 400 kHz. Satu kanal berfungsi sebagai frekuensi pancar radio induk sekaligus sebagai frekuensi terima radio anak. Enambelas kanal berfungsi sebagai 3
frekuensi pancar radio anak sekaligus sebagai frekuensi terima radio induk. Pemilihan kanal menggunakan sebuah saklar. Saklar ini juga digunakan untuk mengatur jumlah radio anak yang dapat ditangani oleh radio induk. 4.
Setiap set radio komunikasi memiliki jangkauan komunikasi mencapai 200 meter ke segala arah (omnidireksional) dalam keadaan tanpa halangan (line of sight).
5.
Sumber tenaga radio komunikasi adalah dua set baterai isi ulang berjenis Litium. Spesifikasi baterai selengkapnya ditentukan setelah pengukuran kebutuhan daya radio komunikasi.
6.
Baterai dapat digunakan untuk pengoperasian minimal 8 jam (siklus pemakaian : pancar (5 detik), terima (5 detik), standby (90 detik)).
7.
Baterai dapat diisi ulang menggunakan modul sel surya. Spesifikasi modul sel surya selengkapnya ditentukan setelah pengukuran kebutuhan daya radio komunikasi.
8. 1.4.
Setiap set radio komunikasi memiliki ukuran fisik sekitar 15 x 6 x 5 cm. Sistematika Penulisan Bagian utama skripsi ini terdiri atas lima bab. Bab pertama merupakan bab
Pendahuluan. Bab ini menjelaskan latar belakang serta batasan masalah dalam pembuatan tugas skripsi. Bab ini juga berisi spesifikasi alat dan sistematika penulisan. Bab kedua berjudul Sistem Radio Komunikasi Digital Dua Arah. Bab ini berisi pemaparan dasar – dasar perancangan tugas skripsi. Bab ketiga merupakan bab Perancangan. Bab ini berisi metode dan langkah – langkah perancangan seluruh bagian alat meliputi perangkat keras dan perangkat lunak. Bab berikutnya adalah bab keempat yaitu Pengujian dan Analisis. Bab ini berisi hasil pengujian alat beserta analisisnya. Bab kelima adalah bab Penutup. Bab terakhir ini berisi kesimpulan yang diperoleh berdasarkan keseluruhan tugas skripsi. Bab ini juga memuat saran pengembangan lebih lanjut.
4
BAB II SISTEM RADIO KOMUNIKASI DIGITAL DUA ARAH Radio komunikasi yang dirancang pada tugas skripsi ini adalah radio komunikasi dua arah untuk percakapan. Informasi yang dikirim dan diterima berupa suara percakapan manusia. Radio komunikasi menggunakan modul transceiver data sehingga informasi dikirim dalam bentuk data digital. Sistem radio komunikasi digital dua arah ini memerlukan protokol komunikasi untuk mengatur lalu lintas pertukaran data antar unit radio komunikasi. Jika dua paket data dikirim melalui gelombang radio menggunakan frekuensi yang sama, maka dapat terjadi tabrakan dan interferensi antar data [23, h.1031]. Hal tersebut dihindari menggunakan protokol komunikasi untuk mengatur pertukaran data antar unit radio komunikasi. Pada umumnya, protokol tersebut dilakukan oleh unit yang disebut base station [8, h.530]. Demikian pula radio komunikasi pada tugas skripsi ini membutuhkan suatu unit yang bertugas mengatur lalu lintas data antar radio komunikasi. Tampak dalam Gambar 2.1, ada dua fungsi radio yang selanjutnya akan disebut radio induk dan radio anak. Radio induk adalah unit yang berperan sebagai base station. Unit radio komunikasi ini menjalankan protokol komunikasi sehingga pertukaran data antar unit radio komunikasi dapat berjalan lancar. Radio anak menjalankan kegiatan pemancaran dan penerimaan data yang prosedurnya diatur oleh radio induk. Supaya penggunaanya lebih fleksibel, tiap unit radio komunikasi dirancang dapat berperan sebagai radio induk atau radio anak. Pengaturan peran radio komunikasi sebagai radio induk atau radio anak dilakukan sebelum radio komunikasi dihidupkan. Kelompok pengguna harus membuat kesepakatan mengenai unit radio komunikasi yang berperan sebagai radio induk dan yang berperan sebagai radio anak. Dalam satu kelompok pengguna, harus ada dan hanya boleh ada satu unit radio komunikasi yang berperan sebagai radio induk. Unit radio komunikasi lain yang berperan sebagai radio anak harus diatur supaya memiliki frekuensi pancar yang berbeda – beda. Setelah radio komunikasi dihidupkan, pembagian peran tersebut tidak boleh diganti 5
kecuali ada kesepakatan lain. Pengguna radio induk diusahakan berada di tengah – tengah kelompok pengguna supaya jaringan komunikasi yang diciptakan dapat mencapai jangkauan maksimum.
Gambar 2.1. Hubungan serta letak radio induk dan radio anak. Radio komunikasi dengan banyak pengguna atau radio komunikasi multiuser umumnya memakai pembagian kanal frekuensi yang disebut FDMA (Frequency Division Multiple Access). Demikian pula sistem radio komunikasi digital yang dirancang memerlukan pembagian kanal. Setiap radio anak harus memiliki frekuensi pancar yang berbeda sehingga radio induk dapat membedakan sumber data dengan baik. Guna memperoleh data dari setiap radio anak, radio induk perlu melakukan pemindaian frekuensi. Frekuensi terimanya perlu diubah sesuai frekuensi pancar masing – masing radio anak. Arah pemindaian dibuat dari kanal radio anak yang terendah sampai kanal tertinggi kemudian memutar lagi ke kanal terendah. Jika ada radio anak yang mengirimkan data, maka pemindaian kanal berhenti, radio anak menerima data dan memancarkannya kembali 6
ke seluruh radio anak. Jika radio anak tidak mengirimkan data, pemindaian diteruskan ke kanal berikutnya. Radio induk menggunakan sebuah kanal untuk memancarkan data ke seluruh radio anak. Dengan demikian frekuensi terima seluruh radio anak diatur sama dengan frekuensi kanal tersebut.
Gambar 2.2. Proses pemindaian kanal. Informasi suara dipancarkan dan diterima dalam bentuk data digital. Perangkat audio yang bekerjasama dengan suatu unit pemroses berfungsi mengubah sinyal suara menjadi data dan data menjadi sinyal suara. Perangkat audio pada bagian input berfungsi menangkap sinyal suara dan memperkuatnya. Hasil penguatan tersebut akan diterima unit pemroses melalui ADC (Analog to Digital Converter). Unit pemroses kemudian mengeluarkan informasi dalam bentuk sinyal PWM (Pulse Width Modulation). Perangkat audio output bertugas mengekstrak sinyal informasi yang terkandung dalam sinyal PWM tersebut. Selanjutnya sinyal informasi dikeluarkan penyuara menjadi sinyal suara yang dapat didengar pengguna radio komunikasi. 7
Gambar 2.3. Hubungan perangkat audio, unit pemroses, dan tranceiver data. Sebagaimana peralatan portabel pada umumnya, radio komunikasi ini ditenagai oleh baterai. Baterai yang digunakan adalah baterai yang dapat diisi ulang. Radio komunikasi ini ditujukan untuk dapat dipakai pada daerah outdoor pada waktu yang lama. Oleh karena itu pengisian ulang baterai harus memanfaatkan sumber daya yang dapat dijumpai di area outdoor, dalam hal ini sinar matahari. Piranti yang digunakan untuk pengisian ulang baterai memanfaatkan cahaya matahari adalah
panel sel surya. Sel surya dapat mengubah energi cahaya matahari
menjadi energi listrik sehingga dapat menjadi sumber daya bagi proses pengisian ulang baterai. Daya yang dihasilkan panel sel surya kemudian digunakan oleh perangkat pengisi ulang baterai untuk mengisi ulang muatan baterai. Berdasarkan uraian di atas, perancangan sistem radio komunikasi digital dua arah memerlukan perancangan perangkat keras dan perangkat lunak. Kebutuhan perangkat keras dapat dikelomopokkan menjadi tiga bagian utama : perangkat transceiver, perangkat audio, dan perangkat catu daya. Perangkat transceiver memuat transceiver data dan unit pemroses. Perangkat audio terdiri atas perangkat audio input dan perangkat audio output. Perangkat catu daya meliputi baterai, panel sel surya dan untai pengisi ulang baterai. Hubungan ketiga perangkat ini tampak dalam Gambar 2.4. Perangkat lunak yang dibutuhkan adalah perangkat lunak yang dibenamkan pada unit pemroses. Perangkat lunak ini bertugas menjalankan protokol komunikasi yang meliputi fungsi radio induk dan radio anak. 8
Gambar 2.4. Hubungan antar bagian perangkat keras.
9
BAB III PERANCANGAN Perancangan radio komunikasi digital dua arah meliputi perancangan perangkat keras dan perancangan perangkat lunak. Perangkat keras terdiri atas tiga bagian utama : perangkat transceiver, perangkat audio, dan perangkat catu daya. Perangkat lunak berupa program mikrokontroler yang memuat protokol komunikasi, pemrosesan data dan pendeteksian tegangan baterai. 3.1.
Gambaran Umum Perancangan Radio komunikasi dalam tugas skripsi ini akan direalisasikan menjadi empat unit
dimana masing – masing perangkat kerasnya memiliki tiga bagian utama : perangkat transceiver, perangkat audio dan perangkat catu daya. Perangkat transceiver memuat mikrokontroler dan modul transceiver data (RFM12). Perangkat audio terdiri atas perangkat audio input dan perangkat audio output. Perangkat catu daya terdiri atas baterai, panel surya, untai pengisi ulang baterai dan detektor level tegangan baterai. Bagan keseluruhan perangkat keras tersebut tampak dalam Gambar 3.1. Mikrokontroler bersama modul transceiver data RFM12 bertugas melaksanakan protokol komunikasi. Mikrokontroler juga bertugas melakukan pemrosesan data dan berperan dalam pendeteksian level tegangan baterai. Perangkat audio input tersusun atas penguat awal dan tapis lolos bawah sedangkan perangkat audio output dibangun menggunakan tapis lolos bawah. Penguat awal bertugas menyesuaikan sinyal keluaran mikrofon sehingga dapat diterima ADC mikrokontroler. Penyesuaian ini meliputi penguatan dan pemberian offset tegangan. Tapis lolos bawah pada perangkat audio input bertugas membatasi jangkauan frekuensi untuk proses pencuplikan oleh ADC. Tapis lolos bawah pada audio output bertugas mengekstrak sinyal informasi dari sinyal PWM. Baterai yang digunakan sebagai catu daya adalah baterai yang dapat diisi ulang. Baterai diisi ulang menggunakan untai pengisi ulang baterai yang bersumber daya keluaran 10
panel surya. Untai pengisi ulang baterai dibangun menggunakan untai DC to DC Converter. Keadaan baterai terisi penuh dan baterai lemah dideteksi dengan detektor level tegangan baterai. Detektor ini terhubung ke salah satu ADC mikrokontroler.
Gambar 3.1. Bagan perangkat keras radio komunikasi digital dua arah. 3.2.
Perangkat Transceiver Perangkat transceiver merupakan bagian utama radio komunikasi yang berfungsi
melakukan transmisi data antar unit radio komunikasi. Transmisi data dilakukan menurut protokol komunikasi yang dibenamkan pada mikrokontroler. Tugas perangkat ini antara lain dapat dirumuskan sebagai berikut. 1. Mengubah informasi menjadi data, yaitu mengubah sinyal listrik – suara dari perangkat audio input menjadi data digital. 2. Mengubah data menjadi informasi, yaitu mengubah data yang diterima menjadi sinyal PWM yang kemudian diberikan ke bagian audio output. 3. Melakukan pertukaran data, meliputi pengiriman dan penerimaan data. 4. Menentukan fungsi radio komunikasi sebagai radio induk atau radio anak. 11
5. Menentukan frekuensi kanal radio anak. 6. Menentukan jumlah radio anak yang ditangani radio induk. Tugas – tugas tersebut ditangani oleh untai yang terbentuk dari mikrokontroler, RFM12 dan beberapa komponen sebagai berikut. 3.2.1. Mikrokontroler Mikrokontroler bertugas memberi perintah dan data ke RFM12 serta menerima data dan sinyal interupsi dari RFM12. Selain itu mikrokontroler juga bertugas mengolah data informasi suara. ADC internal mikrokontroler bertugas mengubah sinyal listrik – suara dari penguat awal menjadi data selebar 8 bit. Sumber sinyal PWM internal mikrokontroler bertugas mengubah data yang diterima RFM12 menjadi sinyal PWM. Tugas mikrokontroler berkenaan dengan detektor level tegangan baterai akan dijelaskan dalam bagian lain. Mikrokontroler yang digunakan dalam perancangan radio komunikasi ini adalah mikrokontroler AVR Atmega168A. Mikrokontroler ini memiliki enam masukan ADC internal dan enam keluaran untuk sumber sinyal PWM. Masukan ADC yang digunakan adalah ADC0 yang terletak pada Port C Pin 0. ADC0 terhubung ke keluaran perangkat audio input. ADC menggunakan tegangan referensi internal 1,1 V sehingga pin VREF harus dihubungkan ke GND menggunakan kapasitor 100 nF. Sinyal PWM dikeluarkan melalui OC1A yang terletak Pada Port B Pin 1. Pin keluaran OC1A terhubung ke masukan perangkat audio output. Lebar data untuk ADC dan pembangkit sinyal PWM diatur menyesuaikan lebar register data RFM12 yaitu 8 bit. Sistem clock eksternal Atmega168 memerlukan sebuah kristal dan dua buah kapasitor. Kristal yang digunakan memiliki frekuensi 12 MHz. Pemilihan nilai frekuensi ini menyesuaikan grafik frekuensi clock terhadap tegangan catu untuk Atmega168A. Kedua kapasitor yang digunakan memiliki nilai 18 pF. Nilai kapasitor ini sesuai dengan batasan nilai kapasitor yang dianjurkan, yaitu 12 – 22 pF. 3.2.2. RFM12 RFM12 menangani pertukaran data via gelombang radio pada pita ISM. Jenis pita ISM yang digunakan adalah pita 433 MHz (433,92 MHz). RFM12 dapat digunakan untuk 12
dua keperluan : pemancar dan penerima. Perubahan kedua fungsi ini diatur oleh mikrokontroler. Metode pengendalian RFM12 berkenaan dengan protokol komunikasi akan dijabarkan pada bagian lain. Lima pin pada RFM12 harus dihubungkan dengan lima pin I/O digital pada mikrokontroler sehingga RFM12 dapat dikendalikan untuk melakukan pertukaran data. Kelima pin tersebut beserta koneksinya dengan mikrokontroler diuraikan sebagai berikut. 1. SDI (Serial Data Input) Pin ini berfungsi menerima data masukan dari mikrokontroler. Pin SDI dihubungkan ke Port D Pin 6. 2. SDO (Serial Data Output) Pin ini berfungsi mengeluarkan data keluaran ke mikrokontroler. Pin SDO dihubungkan ke Port D Pin 4. 3. SCK (Serial Clock) Pin ini digunakan sebagai saluaran masukan clock dari I/O mikrokontroler. Pin SCK dihubungkan ke Port D Pin 1. 4. IRQ (Interrupt Request) Pin ini digunakan untuk mengeluarkan sinyal interupsi dari RFM12. Pin IRQ dihubungkan ke Port D Pin 7. 5. SEL (Chip Select) Pin ini digunakan sebagai saluaran masukan untuk pengaktifan modul RFM12. Pin SEL dihubungkan ke Port D Pin 0. Modul RFM12 tidak memiliki antena internal sehingga antena eksternal perlu ditambahkan. Antena eksternal yang dipakai adalah antena omnidireksional 433 MHz. Antena ini menggunakan konektor SMA tipe male sehingga diperlukan konektor SMA tipe female untuk menghubungkannya dengan RFM12. 3.2.3. Saklar Pemilih Mode Saklar ini berfungsi memilih fungsi radio komunikasi sebagai radio induk atau radio anak. Saklar ini berupa sebuah saklar geser. Salah satu pin ujung akan dihubungkan ke VCC dan pin ujung lainnya ke GND. Pin tengah akan dihubungkan ke salah satu pin I/O 13
digital dari Atmega168, yaitu Port B Pin 0. Jika pin tengah dihubungkan ke GND, maka mode radio induk akan terpilih. Jika pin tengah dihubungkan ke VCC, maka mode radio anak akan terpilih. 3.2.4. Saklar Pemilih Kanal Jika berada dalam mode radio induk, saklar ini berfungsi memilih jumlah radio anak yang ditangani radio induk sedangkan jika berada dalam mode radio anak, saklar ini berfungsi memilih kanal kerja radio anak. Saklar ini berupa empat buah saklar geser. Salah satu pin ujung dari masing – masing saklar geser dihubungkan ke VCC sedangkan pin ujung yang lain dihubungkan ke GND. Pin tengah dari keempat saklar dihubungkan ke empat I/O digital dari Atmega168, yaitu Port B Pin 2 sampai dengan Pin 5. Jika pin tengah dihubungkan ke GND, maka nilai '0' akan diberikan ke mikrokontroler. Jika pin tengah dihubungkan ke VCC, maka nilai '1' diberikan ke mikrokontroler. Dengan demikian kombinasi pengaturan keempat saklar akan menghasilkan nilai biner empat bit yang menyimbolkan kanal radio anak atau jumlah radio anak yang ditangani radio induk. 3.2.5. Saklar untuk Memulai Pembicaraan Saklar ini harus ditekan jika radio komunikasi hendak digunakan untuk mengirim informasi. Selanjutnya saklar ini akan disebut saklar PTT (Push To Talk). Saklar ini berupa sebuah saklar tekan. Pin common saklar ini terhubung dengan Port D Pin 3 yang memiliki fitur interupsi eksternal 0. Dengan demikian fitur interupsi eksternal dapat digunakan jika diperlukan. Pin normally close saklar terhubung ke VCC sedangkan pin normally open terhubung ke GND. Jika fitur interupsi eksternal 1 digunakan maka pemicu interupsi harus diatur pada logika '0' atau transisi turun. Gambar 3.2 menampilkan skematik keseluruhan perangkat transceiver, meliputi untai mikrokontroler, RFM12 dan saklar – saklar. 3.3.
Perangkat Audio Perangkat audio terdiri atas perangkat audio input dan perangkat audio output.
Perangkat audio input terdiri atas mikrofon, penguat awal dan tapis lolos bawah. Perangkat audio output terdiri atas tapis lolos bawah dan penguat akhir. 14
Gambar 3.2. Skematik Perangkat Transceiver.
3.3.1. Perangkat Audio Input Bagian audio input dimulai dengan mikrofon sebagai transduser untuk mengubah sinyal suara menjadi sinyal listrik – suara. Mikrofon yang dipilih adalah mikrofon elektret. Mikrofon ini adalah mikrofon yang umum dipakai untuk peralatan portabel. Mikrofon jenis ini juga sudah cukup memadai untuk menangkap suara percakapan. Sinyal listrik – suara keluaran mikrofon masih terlalu lemah untuk dimasukkan langsung ke ADC mikrokontroler sehingga diperlukan sebuah penguat awal. Penguat awal dibuat menggunakan untai penguat operasional tak membalik dengan catu tegangan tunggal. Berkaitan dengan nilai catu tegangan yang digunakan, penguat operasional akan dipilih dari jenis yang dapat bekerja pada tegangan rendah. Perancangan radio komunikasi ini akan menggunakan penguat operasional dari IC LM358 sebagai jantung penguat awal.
15
Gambar 3.3. Skematik Audio Input. Sebagaimana tampak pada gambar 3.3, bagian depan penguat awal disusun oleh untai mikrofon dan untai offset tegangan. Untai mikrofon tersusun atas mikrofon elektret dan sebuah resistor pull – up. Nilai resistor pull – up diambil dari nilai yang umum digunakan yaitu 27 kΩ. Untai offset tegangan berfungsi menaikkan ayunan sinyal keluaran mikrofon sehingga ayunan sinyal keluaran penguat awal dapat ditangkap seluruhnya oleh ADC. Berkenaan dengan hal tersebut, sinyal keluaran mikrofon harus diberikan offset tegangan sebesar setengah dari nilai maksimal tegangan masukan ADC. Oleh karena batas atas tegangan masukan ADC adalah 1,1 V (sesuai dengan tegangan referensi internal ADC), maka nilai offset tegangan yang perlu diberikan adalah 0,55 V. Nilai ini dihasilkan oleh RA, RB, dan DZ1. Berikutnya adalah untai penguat awal dimana penguatan ditentukan oleh RI dan RF. Kedua resistor dalam untai menghasilkan penguatan sebesar 21x. Jika diamati melalui osiloskop dalam keadaan mikrofon menangkap suara, ayunan sinyal keluaran penguat awal bernilai sekitar 1 Vpp. CI ditambahkan supaya penguatan hanya berlaku pada komponen sinyal AC dan tidak berlaku bagi komponen DC. 16
Sinyal suara yang dapat ditangkap indera pendengaran manusia terentang antara 20 – 20000 Hz sedangkan sinyal suara yang benar – benar berpengaruh pada percakapan hanya terentang antara 300 – 3400 Hz1. Pada rentang frekuensi ini, informasi percakapan sudah dapat dikenali dengan baik karena daya yang signifikan untuk suara manusia terkumpul pada rentang frekuensi tersebut. Umumnya, peralatan komunikasi menyediakan lebar kanal 4 kHz untuk informasi percakapan2. Komponen frekuensi di atas 4 kHz perlu ditekan supaya tidak masuk ke proses pencuplikan. Hal ini dilakukan menggunakan tapis lolos bawah. Tapis lolos bawah yang digunakan adalah tapis aktif berorde dua dengan topologi Sallen Key dan koefisien Bessel.. Empat komponen pasif dibutuhkan untuk melengkapi untai tapis aktif orde dua menggunakan topologi Sallen Key. Empat buah komponen pasif tersebut meliputi : R 1, R2, C1 dan C2 yang nilainya dicari menggunakan persamaan – persamaan sebagai berikut. C2≥C1
4b1 a12
a1 C2∓√ a 12 C22 −4b1 C1 C2 R 1,2= 4πf C C1 C2 Langkah pertama adalah menentukan tipe koefisien untuk mengisi nilai a 1 dan b1. Koefisien tipe Bessel digunakan karena koefisien tipe ini tidak mempunyai riak pada transisi antara passband dan stopband sehingga baik untuk sinyal listrik – suara. Koefisien tipe Bessel untuk tapis aktif orde dua adalah 1,3617 untuk a 1 dan 0,618 untuk b1. Jika ditentukan C1 = 20 nF, maka nilai C2 dapat dicari sebagai berikut. C1
4b1 a1
2
=68n
4⋅0,618 2,472 =68n =90,6555723609 n 2 1,85422689 1,3617
Nilai C2 harus sama dengan atau lebih besar dari nilai tersebut. 100 nF adalah nilai yang dapat diterapkan untuk C2. Frekuensi penggal diatur bernilai 5 kHz supaya seluruh pita informasi sebisa mungkin berada pada daerah passband. Selanjutnya nilai R1 dan R2 dapat dicari sebagai berikut.
1 Pita percakapan manusia yang sering dipakai dalam komunikasi [16, h.83], [28, h.38]. 2 Lebar kanal komunikasi yang umum dipakai untuk informasi percakapan manusia [27, h.38].
17
R 1,2=
a1 C2∓√ a 12 C22 −4b1 C1 C2 1,3617⋅10−7∓√ 1,36172⋅100n 2−4⋅0,618⋅68n⋅100n = 4πf C C1 C2 4⋅π⋅5k⋅68n⋅100n
R 1,2=
1,3617⋅10−7∓ √ 1,85422689⋅10−14−1,68096⋅10−14 4,27256600888⋅10−10
R 1,2=
1,3617⋅10−7∓ √ 1,7326689⋅10−15 4,27256600888⋅10−10
R 1=
−8 1,3617⋅10−7−4,16253396383⋅10−8 9,45446603617⋅10 = −10 −10 4,27256600888⋅10 4,27256600888⋅10
R 1=221,283088816 R 2=
1,3617⋅10−7+4,16253396383⋅10−8 17,7795339638⋅10−8 = 4,27256600888⋅10−10 4,27256600888⋅10−10
R 2=416,132458266 Nilai pendekatan untuk R1 adalah 220 Ω sedangkan untuk R2 adalah 390 Ω. Untai lengkap tapis lolos bawah dengan frekuensi penggal 5 kHz dapat dilihat pada Gambar 3.3. 3.3.2. Perangkat Audio Output Perangkat audio output bertugas mengubah sinyal PWM keluaran mikrokontroler menjadi sinyal suara sehingga informasi dapat didengar oleh pengguna radio komunikasi. Sinyal informasi harus diekstrak dari sinyal PWM kemudian diperkuat dan diubah menjadi sinyal suara. Ekstraksi sinyal informasi dari sinyal PWM dilakukan oleh tapis lolos bawah. Penguatan sinyal informasi dilakukan penguat dan hasilnya dikeluarkan oleh penyuara menjadi suara yang dapat didengar manusia. Frekuensi sinyal PWM minimal tiga kali frekuensi tertinggi sinyal informasi, bahkan disarankan setidaknya empat kali frekuensi tertinggi sinyal informasi [15, h.3]. Hal ini dimaksudkan supaya tapis lolos bawah dapat bekerja dengan baik untuk memisahkan sinyal informasi dari sinyal PWM. Frekuensi clock mikrokontroler yang dipakai adalah 12 MHz, sehingga frekuensi tertinggi sinyal PWM yang mungkin didapat, dihitung sebagai berikut. f PWM =
f CLK N⋅(1+TOP)
TOP adalah nilai data tertinggi dari sinyal PWM. Lebar data PWM yang dipakai adalah 8 18
bit sehingga nilai data tertinggi adalah 255. N adalah faktor pembagi. Supaya didapatkan frekuensi PWM tertinggi, N diatur bernilai 1. 6
f PWM =
6
12⋅10 12⋅10 = =46.875 Hz 1⋅(1+255) 256
Seperempat nilai frekuensi tersebut adalah 11.718,75 Hz, dengan demikian frekuensi sinyal PWM sudah sesuai dengan lebar pita sinyal informasi selebar 4 kHz. Frekuensi tapis lolos bawah untuk mengekstrak sinyal informasi ditentukan sebesar 5 kHz. Hal ini untuk memastikan seluruh sinyal informasi yang dibutuhkan dapat diloloskan ke penguat akhir dengan baik. Nilai frekuensi penggal ini juga masih di bawah seperempat frekuensi sinyal PWM sehingga sinyal informasi dapat terpisah dengan cukup baik dari sinyal PWM. Tapis berorde tiga atau empat dapat digunakan untuk keperluan ekstraksi sinyal suara [15, h.2]. Tapis orde empat dapat dibangun menggunakan dua buah penguat operasional dalam satu keping IC LM358. Tapis yang dihasilkan adalah tapis aktif lolos bawah orde empat. Tapis aktif yang digunakan mempunyai topologi Sallen Key dengan koefisien Butterworth. Komponen – komponen pendukung yang dibutuhkan meliputi empat buah kapasitor dan empat buah resistor. Susunan tapis terlihat pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4. Skematik tapis lolos bawah untuk audio output. Nilai dari komponen – komponen pendukung dihitung sebagai berikut. Pertama –
19
tama disediakan koefisien Butterworth untuk tapis orde empat : a 1 = 1,8478, b1 = 1, a2 = 0,7654, dan b2 = 1. Tipe koefisien Butterworth dipilih karena menghasilkan area passband yang cukup rata (tidak ada riak seperti pada tipe Tschebyscheff) tetapi memiliki kecuraman yang cukup. Kemudian ditentukan C1, C2, C3 dan C4 dengan aturan : C2≥C1
4b1 a1
2
dan C4≥C3
4b2 a 22
.
Jika ditentukan C1 = 100 nF, maka : C2≥(100⋅10−9)
4⋅1 4 =(100⋅10−9) 2 3,41436484 (1,8478)
C2≥117,152096728 nF . Dengan demikian C2 ditentukan bernilai 150 nF. Jika C3 bernilai 68 nF, maka : C4≥(68⋅10−9)
4⋅1 4 =(68⋅10−9 ) 2 0,58583716 (0,7654)
C4≥464,292842059 nF . Dengan demikian C4 ditentukan bernilai 470 nF. Berikutnya R 1, R2, R3, dan R4 ditentukan dengan persamaan
R 1,2=
a1 C2∓√ a 12 C22 −4b1 C1 C2 . Perhitungan secara rinci sebagai 4πf C C1 C2
berikut. a1 C2∓√ a 12 C22 −4b1 C1 C2 1,8478⋅150n∓ √1,84782⋅150n 2−4⋅1⋅100n⋅150n = R 1,2= 4πf C C1 C2 4⋅π⋅5k⋅100n⋅150n R 1,2=
2,7717⋅10−7 ∓√ 7,68232089⋅10−14−6⋅10−14 2,7717⋅10−7∓ √1,68232089⋅10−14 = 9,42477796077⋅10−10 9,42477796077⋅10−10 −7
R 1=
−7
2,7717⋅10 −1,29704313344⋅10 −10 9,42477796077⋅10
R 1=156.465953118444 Ω R 2=
2,7717⋅10−7+1,29704313344⋅10−7 −10 9,42477796077⋅10
R 2=431.707054571964 Ω . R1 ditentukan bernilai 150 Ω dan R2 bernilai 390 Ω. 20
R 3,4=
a 2 C2∓√ a 22 C22−4b 2 C1 C2 0,7654⋅470n∓√ 0,76542⋅470n2−4⋅1⋅68n⋅470n = 4πf C C1 C2 4⋅π⋅5k⋅68n⋅470n
R 3,4=
3,59738⋅10−7 ∓√ 1,29411428644⋅10−13−4,08⋅10−14 6,40884901332⋅10−10
R 3,4=
3,59738⋅10−7 ∓√ 8,8611428644⋅10−14 3,59738⋅10−7∓2,97676718344⋅10−7 = 6,40884901332⋅10−10 6,40884901332⋅10−10
R 3=
3,59738⋅10−7−2,97676718344⋅10−7 −10 6,40884901332⋅10
R 3=159.402315850137 Ω R 3=
3,59738⋅10−7+2,97676718344⋅10−7 6,40884901332⋅10−10
R 4=198.883547216147 Ω R3 ditentukan bernilai 150 Ω dan R4 bernilai 200 Ω. Sinyal keluaran tapis lolos bawah perlu diperkuat supaya sinyal untuk penyuara mencapai ayunan maksimum. Penguatan dilakukan menggunakan IC TDA2822M. Skematik penguat yang dibangun dengan IC tersebut adalah sebagai berikut.
Gambar 3.5. Untai penguat untuk audio output. Untai penguat pada gambar di atas memiliki dua penguat operasional. Keduanya mengeluarkan sinyal dengan fase yang berkebalikan. Hal ini untuk memaksimalkan ayunan tegangan pada penyuara. Volume suara diatur menggunakan potensiometer RVOL.
21
3.4.
Perangkat Lunak Protokol Komunikasi Protokol komunikasi dan pengolahan data dilaksanakan oleh mikrokontroler. Oleh
karena itu diperlukan perangkat lunak atau program yang akan berperan dalam berbagai tugas antara lain : 1. pengaturan lalu lintas data antar radio komunikasi, 2. pengubahan informasi menjadi data, 3. pengubahan data menjadi informasi. Berikut akan dijelaskan penyusunan perangkat lunak secara bertahap. 3.4.1. Konsep Radio Induk dan Radio Anak Protokol komunikasi yang akan diterapkan memiliki dua fungsi : radio induk dan radio anak. Radio induk bertugas mengatur lalu lintas pertukaran data antar radio komunikasi, baik radio anak maupun radio induk itu sendiri. Masing – masing radio anak mempunyai frekuensi pancar yang berbeda. Pemilihan kanal untuk frekuensi pancar radio anak dilakukan menggunakan saklar pemilih kanal. Frekuensi terima seluruh radio anak ditetapkan sama dengan frekuensi pancar radio induk supaya ketika radio induk memancarkan data, semua radio anak dapat menerima data tersebut. Sementara itu, frekuensi terima radio induk diubah secara berurutan sesuai frekuensi pancar radio anak. Perubahan frekuensi ini menggunakan proses pemindaian frekuensi. Gambar 3.6 dan 3.7 menampilkan diagram alir untuk radio induk dan radio anak. Penerapan konsep pada program akan dibahas sesudah pembahasan mengenai pengoperasian RFM12 dan konversi sinyal informasi. 3.4.2. Pengoperasian RFM12 Pengoperasian RFM12 yang berkenaan dengan perangkat lunak radio komunikasi meliputi : inisialisasi RFM12, pengaturan frekuensi, prosedur pengiriman data dan prosedur penerimaan data. Prosedur pengiriman dan penerimaan data berkaitan dengan pergantian fungsi RFM12 sebagai pemancar atau penerima. 3.4.2.1. Inisialisasi RFM12 Serangkaian proses awal atau inisialisasi perlu dilakukan supaya RFM12 dapat digunakan untuk mengirim dan menerima data. Berikut beberapa rincian instruksi yang 22
diperlukan untuk inisialisasi.
Gambar 3.6. Diagram alir radio induk. 23
Gambar 3.7. Diagram alir radio anak. 1. Tunda Fungsi tunda digunakan untuk memberi jeda waktu 100 milidetik. Jeda waktu ini berfungsi untuk mempersiapkan RFM12 supaya siap menerima instruksi. 2. Configuration Setting Command Instruksi ini berfungsi untuk mengatur jenis pita frekuensi, kapasitor osilator kristal, dan mengaktifkan penggunaan register data dan mode FIFO. Pita frekuensi yang digunakan adalah 433 MHz dan kapasitor osilator kristal diatur senilai 12 pF. 24
3. Frequency Setting Command Instruksi ini berfungsi memberikan frekuensi awal. Frekuensi akan diubah lagi di bagian lain program. Oleh karena itu frekuensi awal cukup diatur sama dengan frekuensi kanal menurut saklar pemilih kanal. 4. Data Rate Command Instruksi ini mengatur kecepatan transfer data. Kecepatan transfer data diatur pada nilai tertinggi, yaitu 115,2 kbps. 5. Power Setting Command Instruksi ini mengatur VDI (Valid Data Indicator), baseband bandwidth, LNA gain, dan RSSI detector threshold. VDI berhubungan dengan respons penerima terhadap validitas data; pada perancangan ini diatur pada fast. Baseband bandwidth adalah lebar pita data, diatur pada nilai tertinggi yaitu 400 kHz. Nilai ini juga akan menjadi dasar bagi pembagian kanal. LNA (Low Noise Amplifier) merupakan penguat gelombang radio pada penerima; pada perancangan ini diatur senilai 0 dB. RSSI (Relative Signal Strength Indicator) adalah indikator kekuatan sinyal; ambang bawahnya diatur senilai -103 dBm. 6. Data Filter Command Instruksi ini mengatur mengenai tapis data dimana pada perancangan ini jenis tapis data yang digunakan adalah tapis digital. 7. FIFO and Reset Mode command Instruksi ini mengatur pengaktifan dan pemakaian FIFO. 8. AFC Command Instruksi ini berisi berbagai pengaturan mengenai AFC (Automatic Frequency Control). 9. TX Configuration Control Command Instruksi ini mengatur polaritas FSK (Frequency Shift Keying), frekuensi yang digunakan FSK, dan daya keluaran pemancar. Frekuensi untuk representasi logika pada FSK diatur senilai +/- 60 kHz dari frekuensi tengah kanal. Jadi logika '0' dan '1' akan berbeda 120 kHz. Daya pemancar diatur senilai 0 dB.
25
3.4.2.2. Pengaturan Frekuensi Pengaturan frekuensi kerja RFM12 (baik pancar maupun terima) menggunakan perintah 'Frequency Setting Command'. Instruksi ini memiliki format : Bit
15
14
13
12
Data
1
0
1
0
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
F, menyatakan frekuensi
F=4000(
Nilai F ditentukan melalui persamaan :
f −C2 ) . 10⋅C 1
Tabel 3.1. Pembagian Kanal.
Kanal
Frekuensi
F
Kombinasi
Keterangan
(MHz)
Desimal
Heksadesimal
Saklar FS
0
430,4
160
0x00A0
1
430,8
320
0x0140
0001
2
431,2
480
0x01E0
0010
3
431,6
640
0x0280
0011
4
432,0
800
0x0320
0100
5
432,4
960
0x03C0
0101
6
432,8
1120
0x0460
0110
7
433,2
1280
0x0500
0111
8
433,6
1440
0x05A0
1000
frekuensi pancar
9
434,0
1600
0x0640
1001
radio anak
10
434,4
1760
0x06E0
1010
11
434,8
1920
0x0780
1011
12
435,2
2080
0x0820
1100
13
435,6
2240
0x08C0
1101
14
436,0
2400
0x0960
1110
15
436,4
2560
0x0A00
1111
16
436,8
2720
0x0AA0
0000
26
frekuensi pancar radio induk
0
f adalah frekuensi dalam satuan MHz. Nilai C1 dan C2 untuk RFM12 pita 433 MHz adalah 1 dan 43, sehingga persamaan menjadi :
F=400( f −430) . Sebagai catatan, nilai F
minimal adalah 96 dan maksimal 3903. RFM12 dengan pita frekuensi 433 MHz dapat memakai frekuensi antara 430,24 – 439,7575 MHz. Berdasarkan jangkauan frekuensi tersebut, dapat dibuat pembagian kanal untuk sistem radio komunikasi yang dirancang dengan perincian sebagaimana tertera pada Tabel 3.1. Tersedia tujuh belas kanal dimana masing – masing memiliki lebar 400 kHz. Berdasarkan tabel di atas, dapat dibuat hubungan antara nilai F dan nomor kanal : F=160∗(KANAL+1) . No. kanal untuk frekuensi pancar radio anak didapat dari kombinasi saklar pemilih kanal dimana kanal 1 – 15 dilambangkan dengan bilangan biner yang bersesuaian sedangkan kanal 16 menggunakan bilangan biner 0. Kanal 0 tidak berhubungan dengan kombinasi saklar pemilih kanal karena sudah ditentukan pemakaiannya untuk frekuensi pancar radio induk. Nilai F yang sudah didapatkan kemudian dilewatkan operasi OR dengan bilangan heksadesimal 0xA000 (sesuai format 'Frequency Setting Command') dan selanjutnya dikirimkan ke RFM12. 3.4.2.3. Prosedur Pengiriman Data Prosedur pengiriman data melibatkan instruksi 'Power Management Command' dan 'Transmitter Register Write Command'. 'Power Management Command' berfungsi menghidupkan dan mematikan komponen – komponen pemancar RF pada RFM12. 'Transmitter Register Write Command' berfungsi mengirimkan satu byte data ke register data pemancar pada RFM12. Untai prosedur pengiriman data dimulai dengan menghidupkan bagian pemancar menggunakan instruksi 'Power Management Command' dengan nilai 0x8238. Instruksi dengan nilai tersebut akan menghidupkan penguat daya RF (Radio Frequency), synthesizer dan osilator. Selanjutnya, lima paket data pembuka dikirim secara urut : 0xB8AA, 0xB8AA, 0xB8AA, 0xB82D dan 0xB8D4. Kemudian satu byte data dikirim menggunakan perintah 'Transmitter Register Write Command' yaitu dengan melakukan operasi OR antara bilangan heksadesimal 0xB800 dengan data yang bersangkutan. Langkah ini dapat diulangi jika data yang dikirim berjumlah lebih dari satu byte. Jika data sudah dikirim semuanya, prosedur ditutup dengan mematikan pemancar 27
menggunakan perintah 'Power Management Command' dengan nilai 0x8208. Instruksi dengan nilai tersebut akan mematikan penguat daya RF, synthesizer dan osilator. Diagram alir prosedur pengiriman data ditampilkan pada Gambar 3.8.
Gambar 3.8. Diagram alir prosedur pengiriman data. 3.4.2.4. Prosedur Penerimaan Data Prosedur penerimaan data melibatkan tiga instruksi. 'Power Management Command' berfungsi menghidupkan dan mematikan komponen – komponen penerima RF dari RFM12. 'FIFO and Reset Mode Command' berfungsi mengatur pemakaian register 28
data FIFO. 'Receiver FIFO Read Command' berfungsi menerima satu byte data yang ditampung pada register FIFO. untai prosedur penerimaan data dimulai dengan menghidupkan komponen – komponen penerima meliputi RF front end, baseband, synthesizer dan osilator. Hal ini dilakukan menggunakan instruksi 'Power Management Command' dengan nilai 0x82C8. Kemudian mode FIFO diatur dan FIFO diaktifkan menggunakan perintah 'FIFO and Reset Mode Command' dengan nilai 0xCA81 dan 0xCA83. Selanjutnya dilakukan pengambilan data pada register FIFO menggunakan instruksi 'Receiver FIFO Read Command'. Hal ini dilakukan dengan mengirimkan nilai 0xB000 dan menampung data kembalian dari RFM12. Langkah ini dapat diulangi jika data yang hendak diterima berjumlah lebih dari satu byte. Terakhir, setelah data selesai dikirimkan, prosedur diakhiri dengan mematikan komponen – komponen penerima menggunakan instruksi Power Management Command' dengan nilai 0x8208. Diagram alir prosedur penerimaan data tampak pada Gambar 3.9. 3.4.3. Konversi Sinyal Informasi Menjadi Data Konversi sinyal diperlukan untuk mengubah sinyal informasi keluaran perangkat audio output yang masih berbentuk sinyal listrik – suara menjadi data digital. Proses konversi ini membutuhkan pencuplikan yang melibatkan ADC internal mikrokontroler. ADC mikrokontroler Atmega168A digunakan pada resolusi 8 bit dan menggunakan tegangan referensi internal. Data hasil pencuplikan dengan demikian memiliki lebar 8 bit, sesuai dengan lebar register data RFM12. Tegangan referensi internal yang digunakan memiliki nilai 1,1 V. Jadi nilai data tertinggi, yaitu 255, merupakan representasi dari nilai tegangan 1,1 V. Jumlah konversi ditetapkan 8000 kali per detik atau dengan kata lain frekuensi pencuplikan adalah 8 kHz. Nilai ini direalisasikan menggunakan sebuah pewaktu pada mikrokontroler Atmega168 dimana pada perancangan ini dipakai Timer 2A. Timer ini memiliki resolusi 8 bit. Nilai pembanding untuk register timer ditentukan menggunakan persamaan :
OCR2A=( f CLK /(N⋅f TIMER ))−1 dimana N adalah faktor pembagi. Maka
register OCR2A diisi dengan nilai : OCR2A=(12⋅10 6 /(8⋅8⋅103 ))−1=187,5−1≈186 .
29
Gambar 3.9. Diagram alir prosedur penerimaan data. 3.4.4. Konversi Data Menjadi Sinyal PWM Pembangkit sinyal PWM pada mikrokontroler Atmega168A memerlukan sebuah timer untuk bekerja dimana pada perancangan ini dipakai Timer 1A. Timer ini dipakai untuk membangkitkan PWM beresolusi 8 bit dengan tipe operasi Fast PWM. Tipe dan resolusi tersebut memungkinkan digunakannya sinyal PWM dengan frekuensi tertinggi. Frekuensi sinyal PWM ditentukan melalui persamaan
f OC1APWM =
f CLK dimana N N⋅(1+TOP)
adalah faktor pembagi dan TOP adalah nilai data PWM tertinggi (berkenaan dengan 30
resolusi). Jika N bernilai 1 dan PWM beresolusi 8 bit, maka frekuensi sinyal PWM bernilai f OC1APWM =
12⋅106 =46.875 Hz . 1⋅(1+255)
Konversi data ke sinyal PWM harus sinkron dengan proses pencuplikan sehingga sinyal informasi dapat direkonstruksi dengan pewaktuan yang tepat. Oleh karena itu pembaruan data sinyal PWM dilakukan juga 8000 kali per detik. Proses ini dapat menggunakan pewaktuan yang dibuat oleh Timer 2A untuk proses pencuplikan. Dengan demikian Timer 2A digunakan sebagai acuan pewaktuan bagi proses konversi sinyal informasi ke data dan data ke sinyal informasi. 3.4.5. Penerapan Konsep Radio Induk dan Radio Anak pada Program Berdasarkan posisi saklar pemilih mode, radio komunikasi dapat dipilih untuk berperan sebagai radio induk atau radio anak. Sedangkan berdasarkan penekanan tombol PTT, masing – masing peran dapat dibagi lagi menjadi dua keadan : memancar atau menerima. Dengan demikian dapat dibuat empat fungsi / kondisi radio komunikasi sebagai berikut. 1. Radio anak memancarkan informasi Frekuensi pancar diatur sesuai pilihan kanal. Pengambilan data ADC dilakukan dan data ditampung pada suatu variabel 8 bit. Kemudian dilakukan prosedur pengiriman data. Data juga dikeluarkan ke register OCR1A untuk membangkitkan sinyal PWM sesuai nilai data, sehingga pengguna juga dapat mendengar informasi yang dikirimkannya. 2. Radio anak menerima informasi Frekuensi terima diatur pada kanal 0. Setelah dilakukan prosedur penerimaan data, data ditampung pada suatu variabel 8 bit. Kemudian data dikeluarkan ke register OCR1A untuk membangkitkan sinyal PWM sesuai nilai data. 3. Radio induk memancarkan informasi Frekuensi pancar diatur pada kanal 0. Pengambilan data ADC dilakukan dan data ditampung pada suatu variabel 8 bit. Kemudian dilakukan prosedur pengiriman data. Data juga dikeluarkan ke register OCR1A untuk membangkitkan sinyal PWM sesuai nilai data, sehingga pengguna juga dapat mendengar informasi yang dikirimkannya. 31
4. Radio induk menerima informasi Frekuensi terima diatur pada kanal 1 yang merupakan kanal pertama yang dipindai. Kemudian prosedur penerimaan data dijalankan. Jika tidak ada data yang diterima maka pemindaian dilanjutkan ke kanal berikutnya. Jika ada data yang diterima, maka frekuensi pancar diatur pada kanal 0 dan prosedur pengiriman data dilakukan. Kemudian radio induk menunggu apakah radio anak yang bersangkutan mengirim data lagi. Apabila setelah dua detik menunggu tidak ada data yang diterima, pemindaian dilanjutkan pada kanal berikutnya. Gambar 3.10 menampilkan diagram alir ketika radio induk menerima informasi.
Gambar 3.10. Diagram alir radio induk saat menerima informasi. Namun prosedur pengiriman data oleh radio induk setelah menerima data dari radio anak belum dapat direalisasikan. Ketika memasuki bagian rutin program tersebut, RFM12 tidak mampu mengganti fungsi penerima menjadi pemancar dan mengubah frekuensi ke kanal 0. 32
3.5.
Pengukuran Kebutuhan Daya Pengukuran ini dibutuhkan sebagai bahan pertimbangan dalam perancangan bagian
– bagian perangkat catu daya. Tabel 3.1 berikut ini berisi hasil pengukuran arus total radio komunikasi pada tiga keadaan : SB (standby), RX (menerima) dan TX (memancar). Pengukuran dilakukan pada keempat unit radio komunikasi yang masing – masing terdiri atas perangkat transceiver dan perangkat audio. Tabel 3.2 Pengukuran Kebutuhan Arus Listrik.
Konsumsi Arus (mA)
Pengujian
Radio 1
Radio 2
Radio 3
Radio 4
SB
RX
TX
SB
RX
TX
SB
RX
TX
SB
RX
TX
1
23,2
31,4
40,8
23,6
31,4
41,5
23,3
25,7
36,2
23,2
31,3
40,8
2
23,2
31,4
40,8
23,4
31,2
41,3
23,3
25,6
36,2
23,2
31,3
40,7
3
23,3
31,4
40,7
23,6
31,4
41,6
23,3
25,7
36,3
23,1
31,3
40,6
4
23,3
31,4
40,8
23,5
31,6
41,8
23,2
25,5
36,2
23,2
31,3
40,6
5
23,2
31,4
40,8
23,6
31,6
41,9
23,3
25,6
36,4
23,2
31,3
40,8
6
23,3
31,4
40,8
23,7
31,7
41,9
23,4
25,7
36,4
23,2
31,3
40,6
7
23,3
31,4
40,8
23,6
31,7
41,9
23,3
25,7
36,4
23,2
31,4
40,9
8
23,3
31,4
40,8
23,5
31,3
41,8
23,3
25,7
36,4
23,1
31,2
40,7
9
23,2
31,3
40,7
23,6
31,5
41,9
23,3
25,6
36,3
23,2
31,2
40,7
10
23,2
31,4
40,8
23,6
31,6
41,9
23,3
25,7
36,4
23,1
31,4
40,7
Jumlah
232,5 313,9 407,8 235,7 315 417,5 233,1 256,5 363,2 231,7 313 407,1 Berdasarkan tabel di atas dapat dihitung rata – rata konsumsi arus radio komunikasi.
Radio komunikasi mengkonsumsi arus 23,33 mA saat standby, 29,96 mA saat menerima, dan 39,89 saat memancar. Dengan demikian konsumsi daya radio komunikasi adalah 86,30 miliwatt saat standby, 110,85 miliwatt saat menerima, dan 147,59 miliwatt saat memancar. Radio komunikasi diharapkan dapat bekerja minimal delapan jam dengan proporsi waktu 90 % standby, 5 % menerima, dan 5 % memancar. Jadi kapasitas minimal baterai 33
yang diperlukan dapat dihitung sebagai berikut. Arus x waktu saat standby
= 90% x 8 jam x 23,33 mA = 167,98 mAh.
Arus x waktu saat menerima = 5% x 8 jam x 29,96 mA
= 11,98 mAh.
Arus x waktu saat memancar = 5% x 8 jam x 39,89 mA
= 15,96 mAh.
Maka kapasitas minimal baterai yang diperlukan adalah 167,98 mAh + 11,98 mAh + 15,96 mAh = 195,92 mAh. 3.6.
Perangkat Catu Daya Perangkat catu daya terdiri atas baterai, panel sel surya dan untai pengisi ulang
baterai. Baterai berperan sebagai catu daya radio komunikasi. Baterai dapat diisi ulang menggunakan untai pengisi ulang baterai. 3.6.1. Baterai Catu daya radio komunikasi berupa baterai yang dapat diisi ulang.Baterai isi ulang yang banyak dipakai untuk perangkat portabel meliputi : baterai NiCd (Nickel Cadmium), baterai NiMH (Nickel Mangan Hydride) serta baterai Litium yang mencakup Li-Po (Litium Polymer) dan Li-Ion (Litium Ion). Tabel 3.3. Perbandingan Karakteristik Baterai [22, h.1934], [6, h.2-3], [26, h.4].
Jenis
Tegangan
Kerapatan Energi
Self Discharge
Memory Effect
Baterai
Per Sel (V)
Wh/kg
Wh/L
(% / bulan)
NiCd
1,2
40
100
15 – 20
Ada, besar
NiMH
1,2
90
245
20 – 30
Ada, kecil
Li-Po
3,6 / 3,7
180
380
< 10
Tidak ada
Li-Ion
3,6 / 3,7
155
400
< 10
Tidak ada
Perbandingan karakteristik antar baterai diterangkan secara ringkas pada tabel 1. Baterai – baterai Litium memiliki kemampuan penyimpanan daya yang lebih besar daripada baterai – baterai Nikel (NiCd dan NiMH). Hal ini ditunjukkan pada kolom kerapatan energi. Kolom Self Discharge menyatakan penurunan muatan baterai ketika 34
baterai sedang tidak digunakan. Terlihat dalam tabel, baterai NiMH paling mudah mengalami penurunan muatan sedangkan baterai Litium memiliki nilai penurunan muatan terkecil. Kolom Memory Effect menyatakan penurunan batas tegangan pengisian baterai yang terjadi akibat baterai tidak dipakai sampai muatannya benar – benar habis. Kedua baterai Nikel memiliki Memory Effect sedangkan baterai Litium tidak memilikinya. Hal ini berarti baterai Litium dapat diisi ulang walaupun muatannya belum benar – benar habis. Perbandingan lain yang dapat dijadikan pertimbangan adalah teknik pengisian ulang baterai. Secara umum, semakin besar arus pengisian, semakin cepat baterai terisi penuh. Namun teknik pengisian baterai dapat berbeda satu sama lain. Berikut adalah beberapa catatan khusus mengenai teknik pengisian untuk masing – masing baterai. 1.
Baterai Nikel (NiCd dan NiMH) Teknik pengisian dapat dibedakan menjadi pengisian lambat dan pengisian cepat. Pengisian lambat untuk NiCd dan NiMH dapat berlangsung sampai belasan jam sedangkan pengisian cepat dapat berlangsung di bawah satu jam. Beberapa baterai NiCd bahkan hanya memerlukan belasan menit untuk pengisian cepat. Pengisian dilakukan dengan arus konstan. Rangkaian pengukur suhu diperlukan jika digunakan pengisian cepat. Baterai NiCd harus diisi sampai penuh dan digunakan sampai habis untuk menghindari Memory Effect.
2.
Baterai Litium (Li-Po dan Li-Ion) Pada umumnya kedua baterai ini tidak memiliki pengisian lambat. Waktu pengisian berkisar di bawah empat jam. Pengisian dilakukan dengan tegangan konstan. Baterai Litium tidak boleh memiliki level tegangan lebih rendah dari nilai tertentu, yaitu 2,4 V. Jika hal ini diabaikan maka suatu proses kimia internal akan terjadi yang mengakibatkan baterai tidak dapat diisi ulang kembali. Menimbang dari berbagai uraian karakteristik di atas, baterai yang digunakan dalam
perancangan adalah baterai Litium. Selain memiliki kerapatan energi tertinggi, baterai jenis ini juga relatif lebih cepat diisi ulang. Pengisian ulang menggunakan tegangan konstan sehingga cukup menggunakan regulator tegangan. Baterai ini juga tidak memiliki Memory Effect sehingga baterai dapat diisi ulang tanpa harus menunggu muatannya habis terlebih 35
dahulu. Sesuai perhitungan pada tahap pengukuran kebutuhan daya, kapasitas minimal baterai sekitar 196 mAh. Namun kapasitas terkecil yang tersedia adalah 600 mAh. Dengan demikian baterai yang digunakan untuk catu daya radio komunikasi ditetapkan memiliki kapasitas minimum 600 mAh. Dua buah baterai digunakan dalam satu unit radio komunikasi. Jika satu baterai sedang diisi ulang, baterai yang lain dapat dipakai sebagai catu daya. Pemilihan baterai menggunakan sebuah saklar geser. 3.6.2. Panel Sel Surya Panel sel surya yang digunakan menghasilkan tegangan 10 V dengan keluaran arus maksimal 30 mA. Dua buah panel surya digunakan dengan menyambung keduanya secara seri. Sehingga didapatkan tegangan keluaran tipikal 20 V dan daya keluaran maksimal sebesar 600 mW. Waktu pengisian baterai menggunakan panel sel surya diusahakan untuk memanfaatkan saat matahari bersinar paling terik, yaitu antara pukul 09.00 sampai dengan pukul 15.00 (6 jam). 3.6.3. DC to DC Converter Tipe Step Down DC to DC Converter tipe Step Down atau biasa disebut Buck Converter berfungsi menurunkan tegangan keluaran dari panel surya menjadi tegangan yang sesuai untuk pengisian baterai Litium. Tegangan maksimal yang diperbolehkan untuk baterai Litium adalah 4,2 V. tegangan ini sekaligus dapat dijadikan nilai puncak untuk proses pengisian ulang baterai. IC MC34063A dapat digunakan untuk membangun sebuah untai Buck Converter. Skematiknya ditampilkan pada Gambar 3.11 sedangkan perhitungan yang diperlukan dijabarkan sebagai berikut. Besar tegangan keluaran ditentukan oleh nilai R1 dan R2 : ∣V OUT∣=1.25(1+
R2 12×103 )=1.25(1+ )=4,19117647059 V . 3 R1 5,1×10
Nilai RSC mempengaruhi arus keluaran maksimum : I PK (switch)=
0,3 0,3 = =250 mA , R SC 1,2 36
I OUT (max)=
I PK(switch) 250m = =125 mA . 2 2
Gambar 3.11. Skematik Buck Converter menggunakan MC34063A. Arus keluaran maksimum sebesar 125 mA sehingga jika muatan baterai habis, baterai dapat diisi penuh dalam waktu sekitar 4,8 jam (600 mAh / 125 mA). Meskipun baterai berada pada keadaan hampir kosong, waktu yang digunakan masih di bawah 6 jam (mempertimbangkan waktu matahari bersinar terik). Namun dalam perancangan ini batas tegangan baterai yang dapat digunakan ditentukan antara 3,2 – 4,0 V. Sehingga penggunaan baterai dibatasi sampai batas tegangan 3,2 V dan peringatan baterai terisi penuh dimulai dari tegangan 4,0 V. Hal ini mengingat batas bawah tegangan catu IC – IC yang dipakai berkisar pada nilai 3 V dan batas atas yang diperbolehkan untuk tegangan baterai Litium adalah 4,2 V. Selanjutnya lebar pulsa sinyal PWM pada Buck Converter ditentukan oleh CT : t ON =
CT
220⋅10−12 = =5,5 μS . 4⋅10−5 4⋅10−5
Nilai L ditentukan berdasarkan nilai CT dan IPK(switch) : LMIN =(
V INP(min)−V SAT −V OUT 13 )t ON (max )=( )5,5×10−6=286 μH . I PK (switch) 0,25 37
Besar periode adalah : T =5,5⋅10−6 +(
18−0,8−4,23 13 )5,5⋅10−6=(1+ )5,5⋅10−6 4,2+0,525 4,725
T =20,6322751323 μS . dengan demikian didapatkan frekuensi sinyal PWM untuk pensaklaran sebesar : 1 f = =48.467,7522759 Hz T D1 dan D2 merupakan dioda Schottky yang cocok untuk pensaklaran. Seri yang dipakai adalah 1N5822. 3.7.
Detektor Level Tegangan Baterai Batas – batas tegangan yang ditentukan untuk tegangan optimal baterai adalah 3,2 V
dan 4,0 V. Nilai tegangan di antara kedua batas tersebut digunakan sebagai nilai tegangan tipikal bagi baterai untuk mencatu daya radio komunikasi. Batas bawah sebesar 3,2 V diambil karena IC – IC yang digunakan mempunyai batas bawah tegangan catu sekitar 3 V. Batas atas sebesar 4,0 V diambil karena baterai tidak boleh diisi ulang lebih dari 4,2 V. Bagian – bagian yang diperlukan untuk detektor tegangan baterai meliputi pembagi tegangan dan ADC mikrokontroler. Pembagi tegangan diperlukan karena ADC hanya menerima batas atas tegangan masukan sebesar tegangan referensi internalnya, yaitu 1,1 V. Pembagi tegangan menggunakan resistor dengan perbandingan 3 : 1 untuk mendapatkan pengecilan tegangan ¼ kali. Dengan demikian didapatkan batas – batas level tegangan yang dideteksi ADC adalah 0,8 V dan 1,0 V. ADC yang digunakan memiliki resolusi 8 bit sehingga nilai yang dipakai dalam program mikrokontroler adalah 185 dan 232.
38
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS Pengujian bertujuan mengetahui karakteristik radio komunikasi hasil perancangan. Pengujian meliputi pengujian kualitas sinyal informasi, pengujian kinerja radio komunikasi, dan pengujian pengisian ulang baterai. Pengujian kualitas sinyal informasi meliputi pengujian sinyal keluaran pada tiap bagian perangkat audio, baik di dalam satu unit radio komunikasi maupun saat dilakukan transmisi antar unit radio komunikasi. Pengujian kinerja radio komunikasi meliputi pengujian konsumsi daya, pengujian lama pemakaian, dan pengujian jangkauan komunikasi. 4.1.
Pengujian Perangkat Audio Pengujian perangkat audio bertujuan mengetahui bentuk sinyal keluaran pada tiap
bagian perangkat audio. Pengujian ini diperlukan untuk mengetahui apakah bentuk sinyal keluaran sesuai dengan perancangan. Pengujian ini meliputi pengujian sinyal keluaran penguat awal, sinyal keluaran tapis lolos bawah pra – pencuplikan, sinyal PWM keluaran mikrokontroler, sinyal keluaran tapis PWM dan sinyal keluaran penguat akhir. Perangkat yang dilibatkan dalam pengujian ini adalah satu unit radio komunikasi, generator sinyal dan osiloskop. Mikrofon pada perangkat audio input dilepas dan secara bergantian diberikan sinyal sinus, segitiga, dan kotak. Amplitudo sinyal masukan ditentukan sebesar 50 mVpp dengan frekuensi 1 kHz. Kemudian sinyal keluaran penguat awal, pin keluaran sinyal PWM, tapis PWM dan penguat akhir dilihat melalui osiloskop. Gambar 4.1 sampai dengan 4.6 menampilkan hasil pengujian ini. Tampak dalam Gambar 4.2, amplitudo sinyal mencapai 700 mVpp. Dengan demikian diperoleh penguatan sebesar 14 kali. Nilai ini lebih rendah dari penguatan yang dirancang yaitu 21 kali. Sinyal keluaran tapis lolos bawah mempunyai bentuk sama dengan sinyal keluaran penguat awal. Sinyal keluaran ini masih mempunyai amplitudo yang sama dengan keluaran tahap sebelumnya. Pada tahap ini, sinyal informasi tidak mengalami perubahan bentuk atau 39
amplitudo.
Gambar 4.1. Sinyal masukan.
Gambar 4.2. Keluaran penguat awal.
Gambar 4.3. Keluaran tapis lolos bawah.
Gambar 4.4. Keluaran pin PWM. 40
Gambar 4.5. Keluaran tapis PWM.
Gambar 4.6. Keluaran penguat akhir. Sinyal keluaran PWM berbentuk sinyal kotak. Amplitudo sinyal mendekati nilai GND – VCC. Nilai ini didapatkan karena sinyal PWM dikeluarkan dengan aras tegangan logika mikrokontroler, sehingga hanya memiliki dua kondisi tegangan. Tampak pada Gambar 4.4, perubahan terjadi pada lebar pulsa. Perubahan lebar pulsa ini terjadi karena sinyal PWM membawa sinyal informasi. Sinyal informasi diekstrak dari sinyal PWM oleh tapis lolos bawah pada perangkat audio output. Namun keluaran tapis lolos bawah ini masih memiliki derau yang cukup tinggi. Derau ini disebabkan oleh unsur sinyal PWM yang masih keluar lewat tapis lolos bawah. Selain itu derau juga disebabkan oleh interferensi dari pengoperasian RFM12. Jika didengarkan lewat penyuara, suara manusia yang direproduksi terdengar lebih kecil daripada suara derau. 4.2.
Pengujian Transmisi Informasi Pengujian ini merupakan kelanjutan dari pengujian pertama. Jika pengujian 41
sebelumnya hanya melibatkan satu unit radio komunikasi, pengujian kedua ini melibatkan dua unit radio komunikasi. Radio komunikasi pertama berfungsi mengirimkan informasi berupa sinyal sinus, segitiga dan kotak secara bergantian. Radio komunikasi kedua berfungsi menerima informasi tersebut dan mengeluarkannya melalui perangkat audio output. Perangkat audio output pada radio komunikasi kedua inilah yang diselidiki. Sinyal keluaran tiap bagiannya dilihat melalui osiloskop. Berikut gambar – gambar hasil pengujian.
Gambar 4.7. Keluaran pin PWM radio komunikasi kedua.
Gambar 4.8. Keluaran tapis PWM radio komunikasi kedua.
Gambar 4.9. Keluaran penguat akhir radio komunikasi kedua 42
Keluaran – keluaran sinyal hampir sama dengan percobaan sebelumnya. Sinyal PWM berbentuk kotak dengan nilai maksimum sebesar logika tinggi mikrokontroler. Lebar pulsa mengalami perubahan sesuai sinyal informasi yang dikandungnya. Sinyal keluaran tapis lolos bawah dan penguat akhir juga masih memiliki derau yang tinggi seperti pada pengujian sebelumnya. 4.3.
Pengujian Konsumsi Daya Konsumsi daya radio komunikasi merupakan sentral pembahasan pada tugas skripsi
ini. Pengujian ketiga ini menyajikan data berupa besar konsumsi daya radio komunikasi pada tiga keadaan : standby, menerima dan memancar. Pengujian melibatkan dua unit radio komunikasi dan sebuah multimeter untuk mengukur konsumsi arus pada tiga keadaan tersebut. Berikut tabel hasil pengukuran konsumsi arus radio komunikasi. Tabel 4.1. Konsumsi Arus Radio Komunikasi.
Konsumsi Arus (mA)
Pengujian
Radio 1
Radio 2
Radio 3
Radio 4
SB
RX
TX
SB
RX
TX
SB
RX
TX
SB
RX
TX
1
23,2
31,4
40,8
23,6
31,4
41,5
23,3
25,7
36,2
23,2
31,3
40,8
2
23,2
31,4
40,8
23,4
31,2
41,3
23,3
25,6
36,2
23,2
31,3
40,7
3
23,3
31,4
40,7
23,6
31,4
41,6
23,3
25,7
36,3
23,1
31,3
40,6
4
23,3
31,4
40,8
23,5
31,6
41,8
23,2
25,5
36,2
23,2
31,3
40,6
5
23,2
31,4
40,8
23,6
31,6
41,9
23,3
25,6
36,4
23,2
31,3
40,8
6
23,3
31,4
40,8
23,7
31,7
41,9
23,4
25,7
36,4
23,2
31,3
40,6
7
23,3
31,4
40,8
23,6
31,7
41,9
23,3
25,7
36,4
23,2
31,4
40,9
8
23,3
31,4
40,8
23,5
31,3
41,8
23,3
25,7
36,4
23,1
31,2
40,7
9
23,2
31,3
40,7
23,6
31,5
41,9
23,3
25,6
36,3
23,2
31,2
40,7
10
23,2
31,4
40,8
23,6
31,6
41,9
23,3
25,7
36,4
23,1
31,4
40,7
Jumlah
232,5 313,9 407,8 235,7 315 417,5 233,1 256,5 363,2 231,7 313 407,1
43
Berdasarkan tabel di atas dapat dihitung rata – rata konsumsi arus dari keempat radio komunikasi : 23,33 mA saat standby, 29,96 mA saat menerima, dan 39,89 saat memancar. Dengan demikian data konsumsi daya radio komunikasi adalah 86,30 miliwatt saat standby, 110,85 miliwatt saat menerima, dan 147,59 miliwatt saat memancar. Tampak bahwa konsumsi daya paling rendah terjadi pada saat standby. Menurut lembar data, RFM12 hanya mengkonsumsi arus sekitar 3 mA pada saat idle. Selebihnya arus listrik saat standby dikonsumsi oleh mikrokontroler dan perangkat audio. Selanjutnya ketika keadaan menerima, kebutuhan daya meningkat sekitar 24 miliwatt.
Hal ini
disebabkan karena bagian – bagian penerima pada modul RFM12 sedang bekerja untuk menerima data, sehingga bagian – bagian tersebut mengkonsumsi arus lebih banyak. Konsumsi arus meningkat lagi ketika keadaan memancar. Peningkatan konsumsi arus lebih dari 16 mA dari keadaan standby. Pada keadaan ini, konsumsi daya RFM12 paling tinggi karena bagian – bagian pemancarnya sedang aktif untuk memancarkan data. 4.4.
Pengujian Lama Pemakaian Besar kecilnya konsumsi daya berpengaruh pada lama pemakaian radio komunikasi.
Radio komunikasi yang dirancang diharapkan dapat beroperasi minimal 8 jam dengan proporsi : 90 detik standby, 5 detik menerima, dan 5 detik memancar. Proporsi waktu ini sesuai dengan lembar data handy talky yang dipaparkan pada Bab Pendahuluan. Perangkat yang digunakan dalam pengujian ini adalah dua unit radio komunikasi yang terhubung dengan sebuah untai pewaktuan menggunakan mikrokontroler Atmega8 seperti tampak pada Gambar 4.10. Untai pewaktuan ini bertugas menjalankan proporsi waktu 90 detik standby, 5 detik menerima, dan 5 detik memancar. Kedua radio komunikasi berada pada keadaan standby dalam waktu bersamaan, kemudian keduanya memancar dan menerima secara bergantian. Dengan demikian urutan pola uji untuk radio komunikasi pertama : 90 detik standby → 5 detik menerima → 5 detik memancar, sedangkan untuk radio komunikasi kedua : 90 detik standby → 5 detik memancar → 5 detik menerima. Salah satu radio komunikasi diberi catu daya baterai Litium yang terhubung dengan detektor level tegangan baterai. Tegangan awal baterai adalah 4 V. Waktu sampai tegangan 44
baterai berada pada batas bawah (3,2 V) dicatat. Hasil pengujian disajikan pada tabel 4.2.
Gambar 4.10. Untai pengujian lama pemakaian radio komunikasi. Tabel 4.2. Hasil Pengujian Lama Pemakaian Baterai.
Pengujian
Lama Pemakaian Baterai (jam)
Pengujian ke - 1
16
Pengujian ke - 2
14,5
Pengujian ke - 3
14
Berdasarkan hasil pengujian di atas, lama pemakaian dapat mencapai 16 jam. Spesifikasi alat menyebutkan bahwa lama pemakaian minimal adalah delapan jam. Hasil tersebut bahkan melampaui lama pemakaian radio HT pembanding yang tercantum pada bab Pendahuluan. 4.5.
Pengujian Jangkauan Komunikasi Spesifikasi tugas skripsi yang tercantum pada Bab Pendahuluan menyebutkan
bahwa jangkauan komunikasi yang diharapkan adalah mencapai 200 m pada area tanpa
45
halangan. Hal ini menyesuaikan dengan kemampuan rata – rata dari modul RFM12 yang dapat digunakan untuk transmisi data sampai jarak 200 m. Metode pengujian adalah dengan menggunakan dua unit radio komunikasi untuk percakapan sampai informasi suara percakapan tidak dapat diterima lagi. Kanal pancar yang digunakan saat pengujian : kanal 1, kanal 8, dan kanal 16. Berikut adalah tabel hasil pengujian. Tabel 4.3. Hasil Pengujian Jarak Jangkauan Komunikasi.
Kanal
Jarak Jangkauan Maksimum (m)
1
200
8
200
16
200
Tampak bahwa jarak jangkauan untuk ketiga macam kanal memiliki nilai yang sama. Hal ini berarti perubahan kanal pada RFM12 tidak mengakibatkan perubahan jarak jangkauan. Semua kanal memiliki jarak jangkauan yang sama, pada percobaan ini didapatkan sebesar 200 m. Hasil pengujian ini sesuai dengan jarak jangkauan yang diharapkan pada spesifikasi alat. 4.6.
Pengujian Pengisian Ulang Baterai Pengisian ulang baterai menggunakan cahaya matahari sebagai sumber daya.
Pengujian ini bertujuan mengetahui waktu yang diperlukan panel sel surya dan untai DC to DC Converter untuk mengisi baterai sampai penuh. Tegangan awal baterai dibuat mendekati batas bawah (3,2 V). Proses pengisian ulang dimulai pada pukul 09.00 dan tegangan diukur tiap satu jam sampai pukul 15.00. Hasil pengujian tertera pada Tabel 4.4. Tampak dalam tabel 4.4, baterai dapat diisi sampai nilai tipikalnya (sekitar 3,7 V) dengan waktu sekitar tiga jam. Namun peningkatan tegangan baterai hanya berhenti sampai nilai tersebut dan jam – jam berikutnya peningkatan tidak bisa mendekati nilai maksimum
46
(4,2 V). Jadi DC to DC Converter yang dirancang dapat digunakan untuk mengisi baterai sekitar tiga jam (dari batas bawah tegangan baterai), hanya saja tegangan akhir tidak sampai mendekati tegangan maksimum. Tabel 4.4. Hasil Pengujian Pengisian Ulang Baterai.
Pengujian
Tegangan Baterai (V) 09.00
10.00
11.00
12.00
13.00
14.00
15.00
1
3,33
3,47
3,58
3,69
3,69
3,69
3,69
2
3,41
3,54
3,61
3,68
3,68
3,68
3,68
3
3,45
3,55
3,62
3,69
3,69
3,69
3,69
4
3,46
3,56
3,62
3,69
3,69
3,69
3,69
5
3,30
3,55
3,63
3,68
3,68
3,68
3,68
6
3,25
3,52
3,62
3,66
3,67
3,68
3,68
7
3,29
3,56
3,62
3,68
3,68
3,69
3,69
8
3,37
3,54
3,64
3,66
3,66
3,68
3,68
9
3,30
3,53
3,63
3,67
3,67
3,68
3,68
10
3,29
3,53
3,62
3,67
3,68
3,68
3,68
47
BAB V PENUTUP 5.1.
Kesimpulan Berdasarkan perancangan, realisasi, pengujian dan analisis, dapat ditarik beberapa
kesimpulan sebagai berikut. 1. Protokol komunikasi radio menggunakan transceiver data dapat dibangun dengan mengendalikan fungsi pemancar dan penerima pada modul tersebut. 2. Pembagian dan pengendalian kanal juga diperlukan sebagai bagian dari protokol komunikasi. Hal ini untuk menghindari tabrakan dan interferensi antar data. 3. Proses pengiriman kembali informasi yang diterima oleh radio induk ke seluruh radio anak belum dapat direalisasikan. Hal ini berkaitan dengan kemampuan pergantian fungsi dan kanal pada RFM12. Prosedur perlu diperbaiki supaya proses ini dapat berlangsung. 4. Reproduksi sinyal informasi dapat dilakukan menggunakan sinyal PWM. Namun frekuensi sinyal PWM harus jauh lebih tinggi dari frekuensi teratas sinyal informasi. Sehingga tapis dapat memisahkan sinyal informasi dari sinyal PWM dengan baik. 5. Jarak jangkauan radio komunikasi menggunakan modul RFM12 dapat mencapai 200 m pada area tanpa halangan. Jarak maksimum ini berlaku untuk semua kanal yang digunakan. 6. Kebutuhan daya minimum radio komunikasi terjadi saat standby sedangkan kebutuhan daya maksimum terjadi saat memancar. 7. Kebutuhan daya menentukan kebutuhan minimum untuk kapasitas baterai. Radio komunikasi pada tugas skripsi ini dapat menggunakan baterai dengan kapasitas mulai 600 mAh. 8. Kapasitas baterai menentukan lama pemakaian. Lama pemakaian radio komunikasi dapat mencapai 16 jam dengan proporsi penggunaan 90 % standby, 5 % terima, dan 5 % pancar. Lama pemakaian dibatasi hingga tegangan baterai mencapai batas bawah. 9. Pengisian ulang baterai menggunakan sumber tenaga cahaya matahari membutuhkan 48
waktu sekitar tiga jam. Pengisian ulang berlangsung hingga baterai mencapai nilai tipikalnya, yaitu sekitar 3,7 V. 5.2.
Saran Pengembangan Alat dan sistem dalam tugas skripsi ini masih dapat dikembangkan lagi. Beberapa
saran berikut ini bertujuan untuk pengembangan guna memperoleh hasil yang lebih baik. 1. Pengembangan unit pemroses dan pengontrol menggunakan mikrokontroler dengan frekuensi clock yang lebih tinggi, sehingga kecepatan pemrosesan bisa lebih tinggi dan frekuensi PWM juga lebih tinggi. Namun mikrokontroler harus tetap berdaya rendah sehingga radio komunikasi tetap hemat daya. 2. Perbaikan protokol komunikasi dengan mempertimbangkan batasan kemampuan RFM12 dalam hal perubahan kanal serta dalam hal berganti fungsi antara pemancar dan penerima. 3. Pemakaian protokol komunikasi yang lebih hemat dalam hal pembagian kanal, sehingga memperbanyak jumlah pengguna. Protokol komunikasi juga dapat dikembangkan untuk mempunyai sub – induk sehingga wilayah komunikasi menjadi semakin luas. 4. Penggunaan kompresi data untuk memperkecil kecepatan transfer data. 5. Informasi dikirim dalam bentuk data sehingga dapat dikembangkan enkripsi untuk menjaga keamanan data. 6. Untai pengisi ulang baterai perlu ditingkatkan performanya supaya dapat mengisi ulang baterai sampai batas atas level tegangan baterai.
49
DAFTAR PUSTAKA 1. -, “New Technology Batteries Guide”, Office of Law Enforcement Standards National Institute of Standards and Technology, Rockville, 1998. 2. Atmel, “AVR335 : Digital Sound Recorder with AVR and DataFlash”, Atmel Corporation, San Jose, 2005. 3. Atmel, “8-bit AVR Microcontroller with 16KBytes In-System Programmable Flash Atmega168A”, Atmel Corporation, San Jose, 2010. 4. Billings, K., “Switch Mode Power Supply Handbook”, h. 2.160 – 2.173, McGraw-Hill, New York, 1989. 5. Bresch, H. et al., “About the Demodulation of PWM-Signals with Applications to Audio Amplifiers”, IEEE, 1998. 6. Davis, W. D., “Solar Energy Laboratory Manual”, h. 11 – 25, Crystal Productions, Aspen, 1979. 7. Electus, “Choosing a Rechargeable Battery”, Electus Distribution, 2001. 8. Haykin, S., “Communication Systems”, h. 512 – 560, John Wiley & Sons, Inc., Danvers, 2001 (edisi ke empat). 9. Hope, “RF12B Programming Guide”, Hope Microelectronics, Shenzhen, 2006. 10. Hope,
“RFM12B
Universal
ISM
Band
FSK
transceiver
Module”,
Hope
Microelectronics, Guangdong, 2006. 11. Jade Alberkrack (ed.), “Theory and Applications of the MC34063 and A78S40 Switching Regulator control Circuits”, On Semiconductor, Denver, 2002. 12. Kenwood, “Instruction Manual : TH-255A”, Kenwood. 13. Kitchin, C., “Demystifying Single-Supply Op-Amp Design”, EDN, 2002. 14. Kugelstadt, T., “Active Filter Design Techniques”, Texas Instruments, Dallas, 2008. 15. Leach, Jr., W. Marshall, “The Class-D Amplifier”, Kendall/Hunt, 2001. 16. Macario, R.C.V. (ed.), “Personal & Mobile Radio Systems”, Peter Peregrinus Ltd., London, 1991. 17. Mah, O., “Fundamentals of Photovoltaic Materials”, National Power Research 50
Institutes, Inc., 1998. 18. Mitchell, D.M., “DC-DC Switching Regulator Analysis”, McGraw-Hill, New York, 1988. 19. Motorola, “Motorola GP2000”, Motorola, 2002. 20. Motorola, “GP Series : GP328 & GP 338”, Motorola, 2002. 21. On, “MC34063A, 1.5 A, Step Up/Down/Inverting Switching Regulators”,
On
Semiconductor, Denver, 2010. 22. Patil, A. et al., “Issue and Challenges Facing Rechargeable Thin Film Lithium Battery”, Thin Fim Materials Research Center Korea Institute of Science and Technology, Seoul, 2007. 23. Proakis, J.G., M. Salehi, “Digital Communication”, McGraw-Hill, New York, 2008 (Internasional Edition, edisi ke lima). 24. Roberts, S., “Solar Electricity”, Prentice Hall International, Hertfordshire, 1991. 25. Silalahi, N., “Komunikasi Mobil Publik dan Sistem Komunikasi Personal PCS”, PT Elex Media Komputindo, Jakarta, 2003. 26. Simpson, C., “Characteristics of Rechargeable Batteries”, National Semiconductor. 27. ST, “TDA2822M Dual Low Voltage Power Amplifier”, STMicrolectronics, 2003. 28. Stallings, W., “Komunikasi & Jaringan Nirkabel”, Penerbit Erlangga, Jakarta, 2007 (edisi ke dua, diterjemahkan dari bahasa Inggris oleh D.A. Sasongko, S.T.).
51
LAMPIRAN GAMBAR ALAT (Tampak Depan dan Samping Kiri)
Antena
Penyuara Saklar PTT
Saklar Pemilih Mode
Pengatur Volume Suara
Saklar Pemilih Kanal Audio In (Input Eksternal) Mikrofon
52
LAMPIRAN GAMBAR ALAT (Tampak Belakang dan Samping Kanan)
Antena Saklar On/Off
Audio Out (Output Eksternal)
Saklar Pemilih Baterai
Saklar Pengisian Ulang
Saklar Pilihan Monitor Tegangan (Baterai/Proses Pengisian Ulang)
Indikator Level Tegangan
Saklar Monitor Tegangan
Panel Sel Surya
53
