RANCANG BANGUN INSTRUMEN PENGUKUR TINGGI GELOMBANG PERMUKAAN LAUT MENGGUNAKAN SENSOR ACCELEROMETER
KHASANAH DWI ASTUTI
DEPARTEMEN ILMU DAN TEKNOLOGI KELAUTAN FAKULTAS PERIKANAN DAN ILMU KELAUTAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR 2014
PERNYATAAN MENGENAI SKRIPSI DAN SUMBER INFORMASI SERTA PELIMPAHAN HAK CIPTA* Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi berjudul Rancang Bangun Instrumen Pengukur Tinggi Gelombang Permukaan Laut Menggunakan Sensor Accelerometer 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, Februari 2014 Khasanah Dwi Astuti NIM C54090067
ABSTRAK KHASANAH DWI ASTUTI. Rancang Bangun Instrumen Pengukur Tinggi Gelombang Permukaan Laut Menggunakan Sensor Accelerometer. Dibimbing oleh INDRA JAYA. Gelombang merupakan salah satu parameter penting dan memberikan pengaruh terhadap dinamika yang terjadi di pantai sehingga perlu dilakukan pemantauan gelombang yang dilakukan secara real-time. Tujuan dari penelitian ini adalah merancang instrumen yang dapat digunakan untuk mengukur tinggi gelombang pemukaan laut serta melihat uji kinerjanya di lapang. Instrumen dirancang menggunakan accelerometer sebagai sensor yang diletakkan pada sebuah pelampung untuk dapat mengikuti pergerakan partikel air di permukaan laut. Sistem elektronika menggunakan mikrokontroler ATmega32 sebagai pengendali utama kerja instrumen. Data dari sensor kemudian disimpan pada MMC/SD card dan dilakukan analisis data lapang menggunakan perangkat lunak MATLAB. Metode analisa data menggunakan zero crossing analysis untuk mendapatkan karakteristik gelombangnya. Pengukuran dilakukan dengan sistem penambatan pada satu titik tetap pada dasar perairan. Uji lapang dilakukan di perairan Wakatobi, Sulawesi Tenggara pada Juli 2013 di kedalaman 8 meter. Dari hasil analisis data pada lokasi pengamatan selama 22 jam perekaman menunjukkan karakteristik gelombang, yaitu rata-rata tinggi gelombang ̅ sebesar 0.72 meter; tinggi gelombang signifikan (Hsig) 1.32 meter dan tinggi gelombang maksimum (Hmax) 2.58 meter. Kata kunci: accelerometer, instrumen, gelombang, wakatobi
ABSTRACT KHASANAH DWI ASTUTI. Designing and Constructing Wave Buoy Instrument Using Accelerometer Sensor. Supervised by INDRA JAYA. Ocean wave is one of the important parameter that affected the dynamic of the coastal. Ocean monitoring that provides real-time data is needed to help better understand of the ocean. The objective of this study are designing and constructing an instrument to measure the wave height. The instrument is designed by using accelerometer sensor and its placed on a buoy to follow the water particle movement on the sea surface. Electronics systems used ATmega32 microcontroller as the main control of this instruments. Data from the sensors stored on the MMC/SD card. Data analysis used MATLAB software by using zero crossing method to get the wave properties. The instruments measured at one fixed point by mooring system. Instrument had undergone fields test in Wakatobi, Southeast Sulawesi and moored at 8 meters depth. Data analysis in 22 hours recording in location showed that the average wave height ̅ was 0.72 meters; the significant wave height (Hsig) was 1.32 meters and the maximum wave height (Hmax) was 2.58 meters. Keywords: accelerometer, instrument, wave, wakatobi
RANCANG BANGUN INSTRUMEN PENGUKUR TINGGI GELOMBANG PERMUKAAN LAUT MENGGUNAKAN SENSOR ACCELEROMETER
KHASANAH DWI ASTUTI
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 2014
Judul Skripsi : Rancang Bangun Instrumen Pengukur Tinggi Gelombang Permukaan Laut Menggunakan Sensor Accelerometer Nama : Khasanah Dwi Astuti NIM : C54090067
Disetujui oleh
Prof Dr Ir Indra Jaya, MSc Pembimbing
Diketahui oleh
Dr Ir I Wayan Nurjaya, MSc Ketua Departemen
Tanggal Lulus: 21 Februari 2014
Judul Skripsi: Rancang Bangun Instrumen Pengukur Tinggi Gelombang Pennukaan Laut Menggunakan Sensor Accelerometer : Khasanah Dwi Astuti Nama : C54090067 NIM
Disetujui oleh
Prof Dr Ir Indra Jaya, MSc
Pembimbing
Diketahui oleh
Dr Ir VWayan Nwjaya, MSc Ketua Departemen
Tanggal Lulus: 21 Februari 2014
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah subhanahu wa ta’ala karena atas segala karunia-Nya sehingga penulis mampu menyeleasaikan skripsi yang berjudul “Rancang Bangun Instrumen Pengukur Tinggi Gelombang Permukaan Laut Menggunakan Sensor Accelerometer” dengan baik. Terima kasih penulis ucapkan kepada: 1. Bapak Prof. Dr. Indra Jaya selaku pembimbing skripsi atas masukan, saran, dan arahan sehingga terselesaikan skripsi ini. 2. Bapak Dr. Ir. Agus Atmadipoera, DESS atas kesediaannya menjadi dosen penguji dan Ibu Dr. Ir. Neviaty P. Zamani M.Sc sebagai gugus kendali mutu yang telah membantu perbaikan penulisan skripsi. 3. Segenap staf pendidik dan civitas Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan, FPIK -IPB atas ilmu, bimbingan dan bantuan selama menjalani kuliah. 4. Kedua orang tua, Saptoro dan Siti Rochimah Zulaicha serta adik dan kakak terkasih atas segala do’a, semangat, cinta, kasih sayangnya. 5. M. Iqbal, M. Si atas semua ilmu, masukan, motivasi dan bimbingannya dalam penyelesaian skripsi. 6. Seluruh warga Bengkel Akustik dan Instrumentasi Kelautan, teman-teman tercinta Marine Instrumentation and Telemetry (MIT) Club, diklat MIT 01 dan MIT 02 atas bantuan, pengalaman, kepercayaan, dan segala suka cita bersama. 7. Teman dan sahabat-sahabat Crazier ITK 46 atas motivasi, doa dan kebersamaannya. 8. Pihak-pihak yang telah membantu terlaksananya Ekspedisi Arus Balik II, serta pihak lainnya yang tidak dapat disebutkan satu per-satu. Semoga karya ilmiah ini bermanfaat. Bogor, Februari 2014 Khasanah Dwi Astuti
DAFTAR ISI DAFTAR TABEL
vi
DAFTAR GAMBAR
vi
DAFTAR LAMPIRAN
vi
PENDAHULUAN
1
Latar Belakang
1
Tujuan Penelitian
1
METODE
2
Waktu dan Tempat Penelitian
2
Alat dan Bahan Penelitian
2
Prosedur Penelitian
3
HASIL DAN PEMBAHASAN
6
Hasil Rancang Bangun
6
Uji Coba Lapang
9
Analisa Data SIMPULAN DAN SARAN
10 16
Simpulan
16
Saran
16
DAFTAR PUSTAKA
17
RIWAYAT HIDUP
18
DAFTAR TABEL 1 Alat yang digunakan dalam penelitian 2 Bahan yang digunakan dalam penelitian
2 3
DAFTAR GAMBAR 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Peta lokasi pemasangan instrumen Perancangan fungsional elektronik Profil vertikal gelombang laut ideal Zero crossing analysis Desain umum instrumen Sistem minimum mikrokontroler Rangkaian sensor accelerometer Rangkaian dasar Real Time Clock DS1307 Rangkaian dasar MMC card Alur program utama Pemasangan instrumen di lokasi penelitian Posisi sensor pada pengukuran statis Data mentah hasil pengukuran sensor accelerometer Data yang terkontaminasi derau Zero crossing analysis pada data perekaman Plot tinggi gelombang rata-rata dan waktu perekaman Plot tinggi gelombang signifikan, tinggi gelombang maksimum dan masing masing periodenya pada waktu perekaman Kecepatan angin dari pengolahan data angin Data accelerometer setelah dilakukan filter Scatter plot nilai x dan y (a) Arah gelombang dari pengolahan data accelerometer dan (b) Arah angin dari pengolahan data angin Grafik tinggi pasang surut dan percepatan pada sumbu z
2 3 4 5 6 7 8 8 8 9 10 10 11 11 12 13 13 14 14 15 15 16
PENDAHULUAN Latar Belakang Gelombang laut merupakan pergerakan air naik dan turun tegak lurus dengan permukaan laut. Gelombang dapat dibedakan berdasarkan gaya pembangkitnya. Angin merupakan pembangkit utama gelombang yang terjadi di permukaan laut. Angin berhembus di atas permukaan laut dan mentransfer energinya melalui partikel air sesuai dengan arah angin. Gelombang yang terjadi di laut memiliki pergerakan yang acak dan kompleks, di mana tinggi dan periode gelombang sulit dirumuskan secara akurat. Secara sederhana, gelombang merupakan superposisi dari gelombang tunggal yang berbentuk sinusoidal. Tinggi gelombang merupakan salah satu parameter penting untuk diketahui. Pemantauan gelombang di laut perlu dilakukan karena memiliki pengaruh terhadap dinamika yang terjadi di pantai. Data gelombang dapat membantu kegiatan perencanaan bangunan pantai, pelabuhan, alur pelayaran dan lalu lintas kapal. Teknologi yang telah berkembang untuk melakukan pemantauan tinggi gelombang laut antara lain menggunakan satelit altimetri, wave gauge menggunakan sensor tekanan, Syntetic Apperture Radar pada satelit dan sensor accelerometer yang diletakkan pada sebuah buoy (Stewart 2008). Pemantauan gelombang menggunakan pelampung gelombang (wave buoy) dengan accelerometer sebagai sensor sudah lama dilakukan di dunia, salah satunya oleh perusahaan Datawell. Waverider buoy merupakan salah satu wave buoy yang diproduksi oleh perusahaan Datawell dengan pengukuran berbasis sensor accelerometer dan compass magnetik untuk mendeteksi gerak gelombang di permukaan perairan. Wave buoy ini telah dikembangkan sejak 40 tahun terakhir dan saat ini menjadi desain standar wave buoy di dunia. Accelerometer merupakan sensor yang dapat mengukur percepatan pada tiga sumbu bumi (x,y,z). Accelerometer dapat mengukur percepatan positif maupun negatif akibat pergerakan benda yang melekat padanya. Sensor ini diletakkan pada sebuah pelampung yang dirancang untuk mengikuti pergerakan partikel air di permukaan laut sehingga dapat dilakukan pengukuran tinggi gelombang. Dalam penelitian ini, dirancang instrumen yang mampu melakukan pengukuran tinggi gelombang permukaan laut. Pengambilan data dan uji coba pengukuran di laut dilakukan di perairan Wakatobi, yaitu selat antara Pulau Hoga dan Pulau Kaledupa pada kedalaman mooring 8 meter.
Tujuan Penelitian 1. 2. 3.
Tujuan dari penelitian ini, yaitu: Menghasilkan instrumen yang dapat digunakan untuk mengukur tinggi gelombang permukaan laut Melihat uji kinerja instrumen pada perairan terbuka Pengolahan dan analisis data sensor accelerometer untuk mendapatkan nilai tinggi gelombang laut
2
METODE Waktu dan Tempat Penelitian Rancang bangun instrumen dilakukan pada bulan Maret - Juni 2013. Perancangan instrumen dan analisis data dilakukan di Laboratorium Instrumentasi dan Telemetri Kelautan Bagian Akustik dan Instrumentasi Kelautan, Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan, Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan, Institut Pertanian Bogor. Uji kinerja instrumen dilakukan di Perairan Kepulauan Wakatobi pada Juli 2013. Pengambilan data lapang dilakukan di perairan Pulau Hoga, Kepulauan Wakatobi. Koordinat pemasangan yaitu pada 5.47˚ LS dan 123.75˚ LU. Posisi pemasangan instrumen dapat dilihat pada peta Gambar 1.
Gambar 1 Peta lokasi pemasangan instrumen Alat dan Bahan Penelitian Alat yang digunakan dalam penelitian dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1 Alat yang digunakan dalam penelitian Alat Solder
Tipe/Nilai 40 W
Gerinda Multimeter Digital
Krisbow HELES UX839TR
ISP Programer
ISP Programer
USB to serial Laptop
Fungsi Menyolder antar komponen elektronik Memotong komponen Mengukur tegangan, hambatan, dan koneksi komponen elektronik Mengunduh program ke mikrokontroler Koneksi serial mikrokontroler dan komputer Pembuatan program mikrokontroler dan analisais data
3 Bahan yang digunakan dalam penelitian dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Bahan yang digunakan dalam penelitian Bahan Buoy Modul mikrokontroler Sensor accelerometer Modul RTC DS1307 Modul MMC Micro SD card Baterai Kabel Timah Silika gel Pipa paralon Resin dan katalis Tali tambang
Nilai/Tipe Ø 0.9 m ATmega32 MMA 7361 DT I/O I2C peripheral FRAM V3.0 SanDisk 2 GB 5 V 10 AH
Jumlah 1 buah 1 buah 1 buah 1 buah 1 buah 1 buah 1 buah 1 meter 1 gulung 1 bungkus 1.5 meter 1 botol 20 meter
Ø 0.8 mm Butiran 4 inch Ø 1 cm
Prosedur Penelitian Perancangan Instrumen Perancangan wahana Desain instrumen menggunakan model desain wave buoy yang telah dikembangkan oleh perusahaan Datawell. Wahana terdiri atas pelampung (buoy) untuk pemberi daya apung sekaligus peletakan komponen elektronika. Buoy ini dirancang untuk dapat mengikuti gerakan partikel air pada permukaan laut sehingga dapat dideteksi perpindahannya (perubahan posisi vertikal dan horizontal). Pengukuran yang dilakukan menggunakan sistem penambatan pada satu titik tetap (mooring system) sehingga perlu dipilih sistem penambatan yang sesuai untuk instalasi di lapang agar dapat menghasilkan data pengukuran yang paling baik. Perancangan sistem elektronik Sistem elektronik menggunakan mikrokontroler ATmega32 sebagai pengendali utama kerja instrumen, modul sensor accelerometer MMA 7361 yang menghasilkan data percepatan sumbu, modul real time clock DS1307 sebagai penanda waktu. Kemudian data yang diperoleh disimpan dalam MMC/ SD card sebagai sistem penyimpanan data. Catu daya untuk semua komponen elektronik tersebut menggunakan baterai 5 V 10 AH. Skematik fungsional komponen elektronika dapat dilihat pada Gambar 2. Catu Daya (Baterai) Penyimpanan Data (Micro SD Card)
Mikrokontroler (ATmega32)
Sensor Percepatan (MMA 7361)
Penanda Waktu (DS 1307)
Gambar 2 Perancangan fungsional elektronik
4 Perancangan perangkat lunak Perancangan perangkat lunak difokuskan untuk melakukan pemrograman mikrokontroler. Perangkat lunak yang digunakan yaitu BASCOM AVR yang merupakan bahasa pemrograman basic. Perangkat lunak dirancang untuk mengambil data dari sensor accelerometer dan penanda waktu kemudian disimpan pada media penyimpanan. Uji Lapang Instrumen Uji lapang bertujuan untuk melihat kinerja instrumen di perairan terbuka. Hal yang perlu diperhatikan dalam uji lapang diantaranya kestabilan wahana, sistem penambatan, kinerja sistem elektronik dan sistem penyimpanan data. Kestabilan dan sistem penambatan dilihat secara visual yaitu posisi wahana dan sistem instalasi instrumen di lapang. Dilihat pula kinerja sistem elektronik untuk dapat melakukan pengukuran serta keberhasilan untuk melakukan penyimpanan data. Analisis Data Accelerometer MMA 7361 Accelerometer merupakan sensor yang mengukur percepatan pada tiga sumbu bumi (x,y,z). Hasil data berupa tegangan analog yang merepresentasikan percepatan benda. Nilai analog diubah menjadi nilai digital oleh fitur ADC mikrokontroler. Untuk mendapatkan data percepatan, maka nilai digital yang dihasilkan dikonversi menjadi voltase per-sensitivitas sensor menggunakan persamaan 1. g Keterangan: g DN (Digital Number) Vref Sensitifitas
4
ref sensitivitas
.
: percepatan : nilai digital yang dihasilkan setelah konversi ADC : tegangan referensi yang digunakan pada ADC : nilai sensitifitas sensor yang dipilih
Perhitungan tinggi gelombang Gelombang di laut merupakan suatu gerakan yang acak dan tidak linear. Untuk menyederhanakan teori gelombang permukaan, diasumsikan bentuk gelombang adalah gelombang ideal yang berbentuk sinusoidal. Asumsi ini menyatakan perpindahan gelombang η sebagai gerakan harmonik sederhana yaitu variasi putaran dalam level air yang disebabkan oleh lintasan gelombang. (Stewart 2008). Terdapat suatu hubungan matematis antar karakteristik gelombang. Tinggi gelombang (H) adalah perubahan tinggi secara vertikal antara puncak gelombang (crest) dan lembahnya (trough) (Gambar 3). Tinggi gelombang adalah dua kali amplitudo gelombang (a). Panjang gelombang (L) adalah jarak antara dua rangkaian puncak gelombang (atau melalui 2 puncak berturut-turut). Interval waktu antara dua puncak yang berurutan yang melalui suatu titik tetap disebut sebagai periode (T). Profil vertikal gelombang laut ideal yang memperlihatkan dimensi linier dan bentuk sinusoidal ditunjukkan pada Gambar 3.
5
Gambar 3 Profil vertikal gelombang laut ideal Data perekaman wave buoy yang digunakan untuk perhitungan tinggi gelombang adalah data percepatan pada arah vertikal. Data percepatan dalam satuan g merupakan satuan percepatan yang menunjukkan adanya pengaruh gravitasi bumi yang bekerja pada setiap benda. Nilai yang didapatkan kemudian dikalikan dengan percepatan gravitasi standar yang didefinisikan sebagai 9.81 m/s2. Percepatan benda (a) ini kemudian dikonversi menjadi jarak (displacement) yang menunjukkan tinggi gelombang dalam satuan meter. Percepatan merupakan perubahan kecepatan terhadap waktu. Sedangkan kecepatan merupakan perpindahan posisi tiap satuan waktu. Maka dengan persamaan 2 dan 3 dapat diketahui jarak atau perpindahan posisi buoy terhadap titik sebelumnya: a v t v s t Keterangan: a : percepatan (m/s2) v : kecepatan (m/s) t : waktu (s) s : jarak (m) Data jarak yang telah didapatkan kemudian dianalisis untuk mendapatkan karakteristik gelombangnya. Metode yang biasa digunakan untuk melakukan analisis gelombang laut pada domain waktu adalah zero crossing analysis, dimana sebuah gelombang dibentuk dari puncak gelombang dan lembah gelombang setelah melewati nilai 0. Nilai 0 merupakan Still Water Level (SWL) pada permukaan perairan. SWL atau kondisi muka air tenang merupakan ketinggian level air pada saat tidak terdapat gelombang. Metode zero crossing analysis yang merepresentasikan karakteristik dari gelombang yang terjadi di laut ditunjukkan pada Gambar 4. sea surface displacement
zero crossing waves
time
wave height
crest wave
wave trace wave period
Gambar 4 Zero crossing analysis
6 Deskripsi statistik perekaman data gelombang Nilai dari pengukuran data gelombang tidak pernah berulang dan persis sama terjadi. Tetapi jika diukur pada suatu titik tetap, distribusi statistik nilai periode dan tinggi gelombang akan memiliki kesamaan dari perekaman satu dan yang lainnya. Distribusi statistik adalah cara yang paling tepat digunakan untuk mendeskripsikan pengukuran dari perekaman data gelombang. Karakteristik yang sering digunakan (WMO 1998) sebagai berikut: H (̅ : tinggi gelombang rata-rata Hsig (H1/3) : ketinggian gelombang signifikan, yaitu rata-rata ketinggian dari 1/3 atau dengan proporsi 33% tinggi gelombang yang diurutkan menurut ketinggiannya Hmax : ketinggian gelombang maksimum dari seluruh data perekaman ̅ T : periode gelombang rata-rata Tsig (T1/3) : periode gelombang signifikan, yaitu rata-rata periode gelombang yang mendefinisikan Hsig
HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Rancang Bangun Desain umum instrumen Desain umum instrumen terdiri dari desain wahana dan sistem penambatan (mooring system). Wahana menggunakan buoy sebagai pelampung yang akan mengikuti partikel air sekaligus peletakan komponen elektronika. Buoy memiliki diameter 0.9 m, pada bagian bawah dipasang penyangga yang terbuat dari paralon dengan diameter 10.16 m dan panjang 1.5 m. Penyangga ini dibuat untuk menjaga kestabilan buoy agar dapat melayang dengan baik di permukaan. r = 0.9 m komponen elektronika
buoy
penyangga
1.5 m r = 4 inchi
9m
tali
jangkar
Gambar 5 Desain umum instrumen
7 Sistem penambatan menggunakan tiga buah jangkar yang dipasang di dasar perairan. Tali tambang digunakan untuk mengikat wahana dengan jangkar. Panjang total tali dari buoy ke jangkar adalah 9 meter dengan mempertimbangkan pasang surut perairan di lokasi instalasi. Kedalaman perairan pada saat instalasi adalah 8 meter. Desain umum instrumen dapat dilihat pada Gambar 5. Sistem elektronika Mikrokontroler yang digunakan adalah ATmega32 yang diproduksi oleh Atmel dan memiliki sirkuit dasar yang telah ditetapkan. Mikrokontroler beroperasi pada tegangan 4.5 V sampai 5.5 V. Semua pin dapat digunakan sebagai I/O yang bekerja dua arah. Rangkaian minimum mikrokontroler memerlukan beberapa komponen tambahan lain untuk dapat bekerja seperti clock external agar dapat melakukan instruksi yang diperintahkan dengan lebih cepat. Kristal yang digunakan yaitu 4MHz dengan kapasitor 22pF. Gambar 6 merupakan sistem minimum mikrokontroler yang digunakan dalam rangkaian elektronik instrumen.
Gambar 6 Sistem minimum mikrokontroler Sensor accelerometer yang digunakan adalah modul MMA7361 yang diproduksi oleh LC Studio. Tegangan yang dibutuhkan sensor accelerometer untuk beroperasi berkisar 2.2 V sampai 3.6 V dengan tegangan tipikal 3.3 V. Modul ini telah dilengkapi dengan regulator 3.3 V untuk tegangan masuk sensor. Keluaran sensor dihubungkan dengan 3 buah pin di PORT.A karena tegangan keluarannya berupa besaran analog sehingga dibutuhkan ADC untuk merubahnya menjadi nilai digital agar dapat berkomunikasi dengan mikrokontroler. Sensor MMA7361 ini sendiri sudah dilengkapi dengan pengkondisi sinyal internal berupa low pass filter orde 1 dengan frekuensi cutoff 1507 Hz (Freescale 2008). Terdapat pin g-select (GS) pada modul ini yang digunakan untuk pemilihan tingkat sensitifitas sensor dengan nilai g-Range yang berbeda. Terdapat 2 pilihan sensitifitas, yaitu 206 mV/g dengan nilai g-Range 6 g dan 800 mV/g dengan nilai g-Range 1.5 g. Sensitifitas yang digunakan pada penelitian ini yaitu 800 mV/g dengan mempertimbangkan pergerakan percepatan gelombang. Untuk memilih nilai g-Range 1.5 g maka diberikan logika low pada pin g-select. Gambar 7 menunjukkan rangkaian modul accelerometer MMA7361.
8
Gambar 7 Rangkaian sensor accelerometer Komponen Real Time Clock (RTC) yang digunakan yaitu DS1307. Komponen ini beroperasi pada tegangan 5 V dan dihubungkan dengan mikrokontroler menggunakan komunikasi 2-wire dengan fitur I2C. Pin SCL dihubungkan dengan PORTC.0 dan pin SDA dihubungkan dengan PORTC.1 mikrokontroler. Pada pin SDA dan SCL ini dibutuhkan resistor pull-up sebesar 4.7 KΩ. S 7 membutuhkan kristal eksternal standar 32768 KHz dengan kapasitor 12.5 pF. Selain itu dibutuhkan juga sumber tegangan tambahan dari baterai lithium cell 3 V untuk dapat tetap beroperasi saat tidak mendapatkan tegangan masukan sehingga pengaturan waktu yang telah dilakukan tidak akan hilang. Gambar 8 merupakan rangkaian dasar komponen RTC DS1307.
Gambar 8 Rangkaian dasar Real Time Clock DS1307 Sistem penyimpanan data menggunakan modul MMC FRAM V3.0 yang diproduksi oleh Innovative Electronic. Tegangan yang dibutuhkan untuk dapat beroperasi adalah 3.3 V dengan resistor pull-up 10 KΩ. Modul ini telah dilengkapi dengan regulator 3.3 V untuk tegangan masukan ke MMC. MMC/SD Card dihubungkan dengan mikrokontroler menggunakan antar muka Serial Peripheral Interface (SPI). Jalur yang digunakan yaitu MISO, MOSI, SCK, dan SS yang dihubungkan pada PORTB mikrokontroler. Gambar 9 merupakan rangkaian dasar komponen MMC Card.
Gambar 9 Rangkaian dasar MMC card
9 Desain perangkat lunak Desain perangkat lunak merupakan pembuatan program utama untuk pemrograman mikrokontroler. Perangkat lunak yang digunakan adalah BASCOM-AVR. Pada tahap awal, mikrokontroler melakukan inisialisasi mikrokontroler, sensor accelerometer, DS1307 dan MMC card. Kemudian mikrokontroler akan mendeteksi keadaan MMC card. Pada kondisi ini, program akan terus berulang dan tidak dapat diteruskan apabila MMC card tidak terdeteksi. Setelah itu dibuat sebuah file di dalam MMC card dengan nama file data.txt. Mikrokontroler kemudian mengambil data analog dari sensor accelerometer dan data waktu dari DS1307 yang selanjutnya akan disimpan pada satu baris dalam file data.txt. Terdapat waktu tunggu 1 detik dan kemudian terus berulang untuk pengambilan data sensor dan penyimpanannya dalam file data.txt. Alur program utama mikrokontroler dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 10 Alur program utama
Uji Lapang Instrumen Uji lapang instrumen dilakukan di perairan Pulau Hoga dengan jarak pemasangan instrumen ± 300 m dari pantai. Lokasi ini memiliki batimetri dengan kemiringan curam. Instalasi sistem mooring dilakukan pada kedalaman 8 meter menggunakan tiga buah jangkar. Buoy memiliki daya apung yang cukup besar pada penempatannya di lapang. Terlihat hanya ± ¼ bagian yang melayang di permukaan air dengan posisi buoy sedikit miring saat pemasangan. Hal ini mengakibatkan pengaruh angin yang berhembus di permukaan menjadi cukup berpengaruh terhadap pergerakan buoy. Pemasangan instrumen pada lokasi pengamatan dapat dilihat pada Gambar 11. Instrumen berhasil mengukur tinggi gelombang dan berhasil menyimpan data tersebut pada media penyimpanan. Hasil uji lapang menunjukkan sistem elektronik instrumen bekerja dan melakukan perekaman data selama 26 jam
10 dengan selang pencuplikan data setiap 1 detik. Tetapi terjadi kerusakan data pada 4 jam terakhir sehingga total data yang dapat dianalisis adalah 22 jam.
Gambar 11 Pemasangan instrumen di lokasi penelitian
Analisis Data Data accelerometer Nilai keluaran sensor ini berupa tegangan analog sehingga dibutuhkan tegangan referensi untuk proses konversi nilai analog ke nilai digital. Tegangan referensi untuk ADC yang diberikan adalah 3.3 V untuk memudahkan perhitungan konversi. Pada pemilihan sensitivitas sensor, dipilih nilai g-Range 1.5 g yang memiliki sensitifitas 800 mV/g artinya tegangan berubah sebesar 800 mV per-1 g perubahan gravitasi. Sensor pada kondisi diam menghasilkan output tegangan yang nilainya setengah dari tegangan masukan sensor (Vdd). Output tegangan pada percepatan dd positif akan meningkat di atas tegangan dan pada percepatan negatif nilainya dd
akan menurun di bawah tegangan pada masing-masing sumbu. Nilai ini juga dipengaruhi oleh orientasi sensor pada kondisi statis tehadap percepatan gravitasi bumi. Gambar 12 menunjukkan posisi peletakan sensor accelerometer terhadap arah gravitasi bumi. Pada posisi ini, nilai gravitasi yang terhitung pada sumbu x= 0 g; sumbu y=0 g dan sumbu z=1 g (Freescale 2008).
accelerometer pada posisi z tegak lurus terhadap arah gravitasi
Gambar 12 Posisi sensor pada pengukuran statis
11
sumbu x (V)
4
sumbu y (V)
4
sumbu z (V)
Gambar 13 merupakan plot data hasil perekaman dari instrumen. Data ini merupakan nilai voltase yang merepresentasikan percepatan yang dideteksi pada masing-masing sumbu (x,y,z). Total waktu perekaman data yaitu 22 jam dengan selang pencuplikan satu detik.
4
2 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8 4
x 10
2 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8 4
x 10
2 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8 4
waktu (detik)
x 10
Gambar 13 Data mentah hasil pengukuran sensor accelerometer Perhitungan tinggi gelombang Untuk mendapatkan parameter tinggi gelombang, digunakan data hasil perekaman pada sumbu z. Data mentah hasil perekaman tersebut kemudian diolah sehingga didapatkan nilai percepatan pada arah vertikal. Sensor bergerak mengikuti partikel gelombang sehingga akan didapatkan perpindahan positif sensor, yaitu benda bergerak vertikal di atas titik 0 dan perpindahan negatif artinya benda bergerak vertikal di bawak titik 0. Karena sumbu z mendeteksi percepatan gravitasi sebesar 1g, maka percepatan pada sumbu ini kemudian dikalikan dengan nilai percepatan gravitasi. kemudian nilai percepatan ini dikonversi menjadi jarak dalam satuan meter. Selanjutnya dihitung nilai SWL yang yang akan digunakan sebagai titik 0, yaitu muka air tenang tanpa adanya gelombang. Setelah didapatkan nilai SWL, dapat diketahui perpindahan posisi buoy di atas nilai 0 yang merupakan puncak gelombang dan perpindahan posisi di bawah nilai 0 yang merupakan lembah gelombang. Data hasil perekaman masih terdapat beberapa derau (noise) yang kemungkinan disebabkan oleh gangguan mekanik dari rangkaian elektronika. Maka dilakukan filter data untuk menghilangkan derau tersebut. Gambar 14 merupakan contoh data yang terkontaminasi derau. 4
tinggi gelombang (m)
2 0 -2 -4 -6 -8 -10 850
950
1,050
1,150 waktu (detik)
1,250
Gambar 14 Data yang terkontaminasi derau
1,350
12 Statistika data gelombang Data perekaman selama 22 jam dipilah menjadi data per satu jam perekaman. Gambar 15 (a) adalah perekaman data gelombang selama satu jam dimulai pukul 14.00 WITA. Kotak merah pada grafik diperbesar dan memperlihatkan perekaman data dalam waktu 60 detik (Gambar 15 (b)). Lingkaran merah pada garis 0 menunjukkan up-crossing yaitu gelombang puncak (crest wave) yang terbentuk di atas nilai 0. Kemudian garis berwarna merah menunjukkan down-crossing yaitu lembah gelombang (wave trace) yang terbentuk di bawah nilai 0. Setelah gelombang puncak melintasi titik nol dan terjadi lembah gelombang yang melintasi titik 0 kembali, maka ini dihitung sebagai sebuah gelombang yang memiliki tinggi tertentu dan periode tertentu. Tinggi gelombang adalah jarak antara gelombang puncak tertinggi dan lembah gelombang terendah dari titik 0. Periode gelombang adalah waktu yang dibutuhkan untuk kembali melintasi nilai 0. Metode zero crossing analysis yang digunakan pada perekaman data 60 detik menghasilkan informasi karakteristik gelombang sebagai berikut: 3
tinggi gelombang (m)
2 1 0 -1 -2 -3
0
300
600
900
1200
1500 1800 2100 waktu (detik)
2400
2700
3000
3300
3600
55
60
(a) 1 H Hsig Hmax T Tsig
tinggi gelombang (m)
0.75 0.5
= 0.64 m = 1.21 m = 1.5 m = 4.2 detik = 5.2 detik
0.25 0 -0.25 -0.5 -0.75 -1
0
5
10
15
20
25
30 35 waktu (detik)
40
45
50
(b)
Gambar 15 Zero crossing analysis pada data perekaman Data yang telah dipilah per-satu jam perekaman kemudian dianalisa menggunakan metode zero crossing analysis untuk mendapatkan karakteristik gelombangnya. Gambar 16 merupakan plot tinggi gelombang rata-rata ̅ serta periode gelombang rata-rata ̅ yang didapatkan tiap jam perekaman. Fluktuasi nilai tinggi gelombang rata-rata yang didapatkan yaitu berkisar 0.2 sampai 0.9 meter dengan periode gelombang rata-rata berkisar 3.6 sampai 4 detik.
13 tinggi gelombang rata-rata (m)
1 0.8 0.6 0.4 0.2 4
T (detik)
3.9 3.8 3.7 3.6
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00 00:00 waktu (jam)
02:00
04:00
06:00
08:00
Gambar 16 Plot tinggi gelombang rata-rata dan periodenya pada waktu perekaman Gambar 17 merupakan plot tinggi gelombang signifikan (Hsig) dan tinggi gelombang maksimum (Hmax) dengan periode gelombangnya, Tsig mendefinisikan periode pada tinggi gelombang signifikan dan Tmax mendefinisikan periode pada tinggi gelombang maksimum. Tinggi gelombang signifikan adalah nilai yang biasa digunakan untuk menghitung probabilitas tinggi gelombang dari distribusi statistik data gelombang. Tinggi gelombang signifikan yang didapat dari perhitungan ini yaitu berkisar antara 0.4 sampai 1.7 meter. Tinggi gelombang signifikan tertinggi terjadi pada pukul 17.00 mencapai 1.72 meter dan terendah pada pukul 02.00 dengan ketinggian gelombang 0.4 meter. Tinggi gelombang maksimum (Hmax) adalah nilai tinggi gelombang tertinggi pada waktu perekaman. Tinggi gelombang maksimum yaitu pada pukul 04.00 yang mencapai tinggi 2.58 meter. tinggi gelombang (m)
3 2.5 2 1.5 1 Hsig Hmax
0.5 0
periode gelombang (detik)
6 Tsig Tmax
5.75 5.5 5.25 5 4.75 4.5
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00
00:00
02:00
04:00
06:00
08:00
waktu (jam)
Gambar 17 Plot tinggi gelombang signifikan, tinggi gelombang maksimum, dan masing masing periodenya pada waktu perekaman Gelombang yang terjadi sangat dipengaruhi oleh angin yang berhembus di atas permukaan laut. Hasil pengolahan data angin dari anemometer didapatkan kecepatan angin yang tinggi pada siang sampai dengan sore hari dan rendah pada
14 malam sampai dini hari (Gambar 18). Hal ini membuat gelombang yang terjadi pada sore hari menjadi tinggi, sedangkan kondisi permukaan laut yang cukup tenang pada malam sampai dini hari sesuai dengan hasil analisa data gelombang yang didapatkan dari instrumen. 6 5.5 5 4.5 kecepatan angin (m/s)
4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0
12:00
14:00
16:00
18:00 20:00 waktu (jam)
22:00
00:00
02:00
04:00
Gambar 18 Kecepatan angin dari pengolahan data angin
sumbu x
Data Pendukung dan Pengoreksi Angin dan pasang surut Kalibrasi dan filter data sensor dilakukan untuk melihat pola grafik yang dihasilkan dari masing masing sumbu. Kalibrasi diperlukan untuk menghilangkan percepatan gravitasi bumi yang dideteksi atau percepatan pada kondisi statis sensor. Nilai tegangan untuk kalibrasi sensor pada masing-masing sumbu yaitu sumbu x= 1.56 V; sumbu y= 1.97 V; dan sumbu z= 2.10 V. Kemudian dilakukan filter digital menggunakan teknik penyaringan perata-rataan bergeser (moving average). Gambar 19 merupakan plot data accelerometer setelah dilakukan kalibrasi dan filter. Grafik data menunjukkan pola yang terbentuk pada masingmasing sumbu. Sumbu x dan sumbu y menunjukkan pola grafik yang berlawanan arah. 1 0.5 0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
sumbu y
4
x 10
0.6 0.5 0.4
0
1
2
3
4
5
6
7
8
sumbu z
4
x 10
0.8 0.6 0.4
0
1
2
3
4 waktu (detik)
5
6
Gambar 19 Data accelerometer setelah difilter
7
8 4
x 10
15 Arah gelombang merupakan penjalaran gelombang pada bidang horizontal. Gelombang yang dibangkitkan oleh angin akan menjalar searah dengan arah angin bertiup. Data dari accelerometer pada bidang horizontal, yaitu data pada sumbu x dan sumbu y dapat diketahui penjalaran arah gelombang dengan menghitung nilai resultan dari kedua sumbunya. Gambar 20 merupakan scatter plot dari sumbu x dan sumbu y yang memperlihatkan pola penjalaran gelombang pada bidang horizontal. 0.56
sumbu y (g)
0.54
0.52
0.5
0.48
0.46
0.4
0.5
0.6 0.7 sumbu x (g)
0.8
0.9
1
Gambar 20 Scatter plot nilai x dan y Gambar 21 (a) merupakan arah penjalaran gelombang dan (b) arah angin dari data anemometer yang ditunjukkan menggunakan diagram mawar. Gambar 21 menunjukkan arah gelombang bergerak 40˚ sampai dengan 50˚ ke arah barat laut. Pengolahan rata-rata data angin harian yang dilakukan menunjukkan angin bertiup dominan dari tenggara dan timur. Hal ini sesuai dengan perhitungan data accelerometer yang menunjukkan penjalaran gelombang menuju ke arah barat laut. 0
0 330
30
300
60
330
30
300
60
300
1500
200
1000 500
90
270 90
120
240
150
210 180
100
270
120
240
150
210 180
(a) (b) Gambar 21 (a) Arah gelombang dari pengolahan data accelerometer dan (b) arah angin dari pengolahan data angin Koreksi data juga dilakukan dengan melihat pasang surut yang terjadi di lokasi pengamatan. Gambar 22 merupakan grafik pasang surut dan plot nilai percepatan sumbu z yang telah difilter pada waktu lokal yang sama. Kedua grafik menunjukkan kesamaan pola gelombang pasang surut semidiurnal.
16
tinggi pasut (cm)
300 250 200 150 100 0.15
percepatan (g)
0.1 0.05 0 -0.05 -0.1
12:00
18:00
00:00 waktu
06:00
Gambar 22 Grafik tinggi pasang surut dan percepatan pada sumbu z
SIMPULAN DAN SARAN Simpulan Dalam penelitian ini telah dilakukan rancang bangun instrumen pengukur tinggi gelombang dengan menggunakan accelerometer sebagai sensor untuk mendeteksi pergerakan partikel air yang diletakkan pada sebuah buoy dengan pengukuran mooring system. Uji kinerja intrumen di lapangan cukup baik dan mampu melakukan perekaman data gelombang. Hasil pengolahan data perekaman selama 22 jam dengan metode zero crossing analysis dari uji lapang di titik pengamatan yang dilakukan di perairan Wakatobi menunjukkan tinggi gelombang rata-rata ̅ sebesar 0.72 meter; tinggi gelombang signifikan (Hsig) 1.32 meter dan tinggi gelombang maksimum (Hmax) 2.58 meter.
Saran Instrumen yang telah dikembangkan diharapkan masih terus disempurnakan. Dibutuhkan perancangan desain buoy yang lebih baik agar orientasi sensor tetap pada posisi horizontal dan tegak lurus terhadap arah gravitasi. Penambahan komponen elektronika lainnya seperti compass untuk validasi arah gelombang dan radio transmitter untuk melakukan transmisi data real time. Analisa spektral dapat dilakukan untuk mengetahui nilai spektral dari gelombangnya. Selain itu, diperlukan uji laboratorium sensor menggunakan tabung selindris sehingga bisa dilakukan kalibrasi sensor secara maksimal.
17
DAFTAR PUSTAKA Aziz F. M. 2006. Gerak Air di Laut. Jurnal Oseana XXXI(4): 9-21. Freescale Semiconductor. 2008. ±1.5g, ±6g Three Axis Low-g Micromachined Accelerometer, MMA 7361L.pdf [internet] [diunduh 2013 April 29]. Tersedia pada: http://www.sparkfun.com.datasheet/components/general/mma7361L.pdf Joosten H P. 2006. Wave Buoys and Their Elastic Mooring dalam Elastic Mooring of Wave Navigation Buoys. International Ocean Systems, Datawell Publication IOS :3-8 Kuperus J. 2009. Wave Monitoring Using Single Nodes.pdf [internet] [diunduh 2013 April 29]. Tersedia pada: http://essay.utwente.nl/59198/1/scriptie_J_ Kuperus.pdf Laing A K. 1998. An Introduction to Ocean Wave dalam Guide to Wave Analysis and Forecasting Ed 2. World Meteorological Organization, WMO-No.702:1-6 Pandian. 2010. An overview of recent technologies on wave and current measurement in coastal and marine applications. Journal of Oceanography and Marine Science 1(1): 1-10. [MHL] Manly Hydraulics Laboratory. 2011. Wave Data Analysis and Statistics. pdf [internet] [diunduh 2013 Desember 28]. Tersedia pada: http://new.mhl.nsw.gov.au/data/realtime/wave/docs/Wave%20Data%20Analysi s%20and%20Statistics.pdf Seifert K, Camacho O. 2007. Implementing Positioning Algorithm Using Accelerometer. Freescale Semiconductor Inc. Stewart H. 2008. Introduction to Physical Oceanography. Departement of Oceanography Texas A&M University. Tuck K. 2007. Implementing Auto-Zero Calibration Technique for Accelerometer.: Freescale Semiconductor Inc. Wahyudi, Susanto A. 2009. Penentuan Faktor Kalibrasi Accelerometer MMA 7260Q pada Ketiga Sumbu. Jurnal Teknik Elektro 11(1): 16-22.
18
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Sukoharjo pada 5 November 1991 dari ayah bernama Saptoro dan ibu Siti Rochimah Zulaicha yang merupakan anak kedua dari tiga bersaudara. Penulis menyelesaikan pendidikan Sekolah Menengah Pertama (SMA) Negeri 1 Ciputat pada tahun 2009, kemudian masuk ke Institut Pertanian Bogor (IPB) melalui jalur Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi (SNMPTN) dan diterima di Departemen Ilmu dan Teknologi Kelautan, Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan pada tahun yang sama. Selama masa studi, penulis pernah menjadi asisten Dasar-dasar Instrumentasi Kelautan periode 2011/2012 dan 2012/2013, asisten Instrumentasi Kelautan periode 2012/2013 dan 2013/2014. Penulis juga aktif dalam organisasi Himpunan Mahasiswa Ilmu dan Teknologi Kelautan (HIMITEKA) periode 2011/2012 dan 2012/2013 sebagai staf kesekretariatan, Marine Instrumentation and Telemetry (MIT) Club periode 2011-2012 sebagai staf divisi penelitian dan pengembangan dan periode 2012-2013 sebagai staf divisi pendidikan dan latihan. Selain itu penulis pernah menjadi peserta The Marine Advanced Technology Education (MATE) Robot Challage di Hongkong pada tahun 2012 dan menjadi pemakalah dalam Seminar Hasil Ekspedisi Arus Balik I tahun 2012 yang diselenggarakan oleh MIT Club.
