Perjanjian No: III/LPPM/2016-02/71-P
SISTEM MONITORING DAN KONTROL SUHU DAN KELEMBABAN PADA RUMAH KACA
Disusun Oleh: Christian Fredy Naa S.Si., M.Si., M.Sc. Levin Halim S.T., M.T.
Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat Universitas Katolik Parahyangan 2016
DAFTAR ISI Abstrak
3
Bab I Pendahuluan
3
Bab II Tinjauan Pustaka
6
Bab III Metode Penelitian
8
Bab IV Jadwal Pelaksanaan
9
BAB V Hasil dan Pembahasan
9
Daftar Pustaka
12
2
ABSTRAK Rumah kaca (greenhouse) dirancang agar tanaman yang ditanam memperoleh kondisi optimal dalam proses pertumbuhannya. Untuk memperoleh hasil yang maksimal, maka kondisi-kondisi tersebut harus dapat dimonitor dengan baik. Untuk mencapai tujuan tersebut, telah didesain suatu sistem monitoring berbasis Arduino. Parameter yang diukur adalah suhu dan kelembaban. Rumah kaca berukuran 2x3 m2 telah dibangun, berlokasi di rooftop gedung 10, Universitas Katolik Parahyangan. Dalam laporan ini juga telah didesain meja yang nantinya digunakan untuk menanam tanaman yang tepat dengan kondisi rumah kaca. Dari hasil pengukuran diperoleh kesimpulan bahwa suhu di dalam rumah kaca lebih tinggi dibandingkan suhu di luar rumah kaca. BAB I. LATAR BELAKANG Dewasa ini berbagai permasalahan muncul di sektor pertanian. Keterbatasan lahan merupakan permasalahan paling utama, hal ini berbanding terbalik dengan peningkatan jumlah penduduk yang cukup signifikan. Di Indonesia, permasalahan tersebut menjadi cukup rumit karena beberapa faktor antara lain: produk lokal yang tidak memenuhi spesifikasi industri pangan, hasil produksi terbatas, perubahan selera konsumen dan perlunya mempertahankan ketersediaan produk-produk pertanian tersebut untuk menunjang kelangsungan industri-industri terkait. Selain permasalahan internal pertanian yang terkait dengan kualitas produksi tersebut, tantangan juga datang dari dunia terutama dari negara-negara maju. Pengaruh globalisasi dan perkembangan teknologi pertanian menyebabkan dunia pertanian Indonesia harus segera memberi respon dan menyesuaikan diri dengan perubahan tersebut untuk terus bersaing, salah satu solusi untuk hal ini adalah pertanian berbasis rumah kaca. Pertanian berbasis rumah kaca mempunyai beberapa keuntungan, yakni tanaman relatif terlindung dari hama dan penyakit dan kondisi lingkungan rumah kaca relatif lebih mudah dimonitor dan dikontrol. Untuk memonitor dan mengontrol kondisi tersebut, rumah kaca memerlukan perangkat yang terintegrasi agar dapat memberikan hasil produksi yang optimal. Lingkungan yang dimonitor dan dikontrol diantaranya temperatur, intensitas cahaya, kelembaban tanah dan kelembaban udara serta kontrol distribusi air serta suhu. Kemampuan sistem yang mampu memonitor dan mengontrol kondisi tersebut sangat diperlukan untuk memperoleh hasil yang maksimal pada tanaman yang ditanam pada rumah kaca. Sistem kontrol ini diharapkan menjadi langkah awal untuk mendukung sustainable design. Pada penelitan ini akan dirancang sistem monitoring dan kontrol pada rumah kaca berukuran 3x2 m2. Paramter yang akan diteliti dibatasi pada empat parameter, yakni suhu ruang dan tanah serta kelembaban tanah dan kelembaban udara. Sistem ini diharapkan dapat memberikan data kondisi rumah kaca dan tanaman dengan presisi tinggi sehingga pengguna dapat memperoleh gambaran kuantitatif tentang kondisi rumah kaca. Data ini dapat digunakan oleh pengguna untuk melakukan kontrol secara manual terhadap kondisi rumah kaca. Selain itu, data tersebut dapat digunakan untuk mengontrol kondisi rumah kaca secara optimal. Rumah kaca akan ditanami dengan tanaman dengan masa panen yang relatif seingkat sehingga dengan jangka waktu penelitian ini dapat teramati kondisi pertumbuhannya. Pada penelitian ini diharapkan dapat memberikan studi awal perbandingan antara tanaman yang ditanam di dalam dan di luar rumah kaca. Pada penelitian ini akan dihasilkan teknologi tepat guna (prototype) serta kontribusi pada perkembangan bidang terkait pada jurnal ilmiah. Penelitian ini merupakan bagian dari road map penelitian pada jurusan Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika yang ditunjukan pada Gambar 1. Penelitian ini menempati aspek instrumentation and measurement dengan spesifikasi terapan pada bidang pertanian.
3
Gambar 1: Roadmap penelitian jurusan Teknik Elektro Konsentrasi Mekatronika. Peneltiian pada proposal ini menempati aspek instrumentation and measurement
Penelitian ini memiliki rencana jangka panjang selama 4-5 tahun yang telah dimulai pada akhir tahun 2015. Penelitian ini memiliki target akhir untuk merancang sebuah sistem yang holistik terpadu rumah kaca dengan performa optimal serta dapat membantu para petani lokal di daerah Bandung, Jawa Barat. Sistem holistik terpadu yang dimaksud adalah sistem yang dapat memonitor semua parameter yang terkait dengan pertumbuhan tanaman, sistem yang mudah dalam pemasangan dan perawatan serta memiliki antar muka yang sederhana yang dapat dipahami oleh para petani lokal. Selain itu ditargetkan juga adanya sistem penyajian dan pengolahan data yang masif secara online. Data yang dimaksud adalah data parameter rumah kaca dari beberapa lokasi di daerah Bandung, Jawa Barat. Data ini dapat digunakan secara praktis baik oleh peneliti maupun para petani. Road map penelitian sistem rumah kaca ini dapat dilihat pada Tabel 1 berikut: Tabel 1 Road map penelitian sistem rumah kaca Tahapan penelitian
Keterangan
Tahun pengerjaan
Sistem monitoring dan kontrol Sistem sederhana pada skala November - Desember 2015 [2] pada miniatur rumah kaca [1] kecil (rumah kaca berukuran (self funding) 30x45 cm2). Sistem ini memiliki 10 buah sensor, telah mampu menyajikan data secara online.
4
Sistem monitoring dan kontrol Sistem yang serupa dengan Penelitian, 2016 (proposal ini) pada rumah kaca berdimensi sistem 2015 namun diterapkan lebih besar pada rumah kaca berukuran 2x3m2 dengan jumlah sensor mencapai 15-20 sensor. Studi awal pada perbandingan tanaman di dalam dan di luar rumah kaca. Pengukuran kinerja sistem
Sistem akan diuji dengan studi Penelitian, 2017 yang lebih komprehensif tentang perbandingan antara tanaman yang ditanam di dalam dan luar rumah kaca.
Penambahan parameter yang Terdapat beberapa parameter Penelitian, 2017 dimonitor dan dikontrol yang relatif sulit (memerlukan pengukuran dengan presisi tinggi serta sistem sensor yang lebih kompleks) untuk dimonitor dan dikontrol seperti intensitas cahaya, PH tanah dll. Penerapan sistem pada rumah Sistem diterapkan pada lahan Pengabdian masyarakat, 2018 kaca dengan melibatkan potensi yang lebih luas, melibatkan lokal petani lokal serta memberikan pelatihan kepada para petani tersebut. Pengukuran lanjutan
kinerja
sistem Sistem akan diuji dengan jenis Penelitian, 2018 tanaman yang bervariasi serta tanaman dengan masa tanam yang lebih lama.
Pengolahan dan penyajian data Data dari banyak rumah kaca Penelitian, 2019 secara masif dan online dapat dikumpulkan pada satu database tersaji secara online. Hal ini membuka peluang untuk terciptanya komunitas pertanian rumah kaca.
Berdasarkan Tabel road map penelitian dan pengabdian masyarakat di atas, maka proposal penelitian tahun 2016 ini merupakan salah satu langkah penting dari rencana jangka panjang yang telah disusun. Penelitian ini diharapkan dapat menjadi batu loncatan untuk mencapai tujuan akhir penelitian yang dapat memberikan kontribusi bagi potensi lokal serta bidang pertanian di negara Indonesia.
5
BAB II. TINJAUAN PUSTAKA Di Indonesia beberapa peneliti mulai tertarik untuk melakukan penelitian tentang pertanian rumah kaca. Beberapa Penelitian yang Berkaitan dengan Rumah Kaca di Indonesia dapat dilihat pada tabel berikut: Tabel 2 Beberapa penelitian tentang rumah kaca di Indonesia No
Peneliti
Judul
Hal yang dilakukan
1
Agus Sugiyono [3]
Kendali Sistem energi Untuk
Usaha pengurangan energi dengan
pertanian Rumah Kaca
menggunakan PLC untuk kendali sistem energi. Kendali dengan PLC mempunyai keuntungan karena sistemnya dapat diubah hanya dengan mengubah program dan perangkat keras diperoleh dengan harga relatif murah
2
Mulkan Azizi,
Perancangan sistem
Usaha membuat suatu iklim buatan
Sumardi, Munawar
pengendali suhu pada
pada green house dengan merekayasa
Agus [4]
prototype Greenhouse
kondisi suhu agar sesuai dengan
berbasis kendali logika fuzzy
kondisi suhu asal tanaman. Logika fuzzy digunakan untuk mengolah data pembacaan sensor yang digunakan untuk kemudian digunakan sebagai kendali kecepatan motor cooling fan DC supaya suhu ruangan tetap.
3
Olga Melo, Rhiza S.
Rumah Kaca Cerdas Untuk
Mendesain prototipe sistem
Sadjad, Adnan [5]
Budidaya Tanaman Bunga
pengontrolan rumah kaca cerdas untuk
Krisan
budidaya tanaman secara otomatis menggunakan mikrokomputer. Sistem kontrol yang dikembangkan dapat melakukan proses pengukuran suhu dan kelelmbaban dan mengatur pemberian air.
4
Mareli
Rancangbangun Aktuator
Merancang sistem kontrol
Telaumbanua, [6]
Pengendali Iklim Mikro di
pengendalian iklim mikro untuk
6
Dalam Greenhouse Untuk
greenhouse menggunakan AVR
Pertumbuhan Tanaman Sawi
ATMega8535. Sistem kontrol dikembangkan menggunakan lima sensor, yaitu sensor suhu dan kelembaban, sensor suhu tanah, sensor kelengasan tanah, sensor intensitas sinar matahari serta tiga aktuator, yaitu aktuator kipas, aktuator pompa air dan aktuator lampu fotosintesis.
5
Tony K. Hariadi [7]
Sistem Pengendali Suhu,
Membuat sebuah sistem pengendali
Kelembaban, dan Cahaya
temperatur, kelembaban, cahaya, dan
dalam Rumah Kaca
penyiraman dalam rumah kaca secara terpadu.
6
Bimo Ananto
Perancangan Jaringan Sensor
Melakukan perancangan sistem sensor
Pamungkas, Adian
Terdistribusi untuk
terdistribusi untuk memonitor suhu,
Fatchur Rochim,
Pengaturan Suhu,
kelembaban, dan intensitas di rumah
Eko Didik Widianto
Kelembaban, dan Intensitas
kaca menggunakan board Arduino
[8]
cahaya
Uno. Data-data pemantauan dan antarmuka kontrol pengguna dapat diakses secara online berbasis web.
Dari beberapa penelitian terdahulu tersebut umumnya belum mengintegrasikan sensor dan aktuator pada rumah kaca dengan dimensi yang relatif besar (baik dimensi rumah kaca maupun jumlah sensor dan aktuator). Dimensi ini berkaitan dengan jumlah sensor yang digunakan masih belum dapat menangkap kondisi sepenuhnya dari rumah kaca. Selain itu, pemantauan dan pengendalian kebanyakan masih dilakukan secara offline. Untuk mengatasi keterbatasan tersebut, pada penelitian ini akan dirancang sistem rumah kaca yang dapat menyajikan data secara online untuk merekayasa beberapa parameter iklim rumah kaca, seperti kelembaban tanah dan udara, suhu rumah kaca, intensitas cahaya, dan sinar ultraviolet.
7
BAB III. METODE PENELITIAN Seperti yang telah dijelaskan di bagian pendahuluan, bahwa penelitian ini merupakan lanjutan dari penelitian yang telah dilakukan di akhir tahun 2015 (miniatur rumah kaca). Oleh karena itu, metode yang digunakan pada penelitian ini mengambil konsep yang serupa dengan penambahan jumlah sensor serta penerapan pada dimensi rumah kaca yang lebih besar. Skema sistem yang telah dirancang pada tahun 2015 dapat dilihat pada Gambar 2. Sistem ini menggunakan Arduino Mega dengan pertimbangan mikrokontroler ini memiliki banyak masukan analog dan digital. Hal ini penting mengingat pada sistem ini digunakan Ethernet Shield yang dipasang di atas Arduino Mega. Ethernet shield berfungsi untuk menyimpan data pada media SD Card. Tujuh buah sensor masing-masing sensor suhu, kelembaban tanah, cahaya dan UV dihubungkan ke masukan analog pin 7 hingga 13. Sementara sensor kelembaban dan suhu udara (DHT11) dihubungkan ke pin digital 30. Real time clock dihubungkan ke pin SDA dan SCL serta dua buah relay masing-masing untuk lampu dan pompa untuk irigasi rumah kaca. Real time clock berfungsi untuk memberi masukan tanggal dan waktu kepada sistem, perangkat ini memiliki sumber energi tersendiri sehingga dapat berfungsi walaupun sistem dalam keadaan off.
Gambar 2: Skema sistem monitoring dan kontrol rumah kaca
Keluaran dari Arduino Mega berbentuk array yang masing-masing nilai sensor dipisahkan dengan delimeter koma dan tabulasi. Terdapat beberapa modifikasi pada skema di atas untuk penelitian ini, diantaranya interfacing data masih menggunakan data logging biasa, belum masuk ke komputer ataupun online. Pertimbangannya adalah lokasi rumah kaca yang berada di rooftop yang cukup terbuka (pertimbangan keamanan). Hingga laporan ini pun, baru diambil data suhu di dalam dan di luar rumah kaca dan intensitas cahaya.
8
BAB IV. JADWAL PELAKSANAAN
Terdapat banyak penyesuaian pada jadwal pelaksanaan kegiatan penelitian. Desain rumah kaca beberapa kali terjadi perubahan, terkait dengan lokasi yang sesuai dengan kondisi di rooftop gedung 10. Selain itu jadwal kegiatan juga dimodifikasi karena adanya masukan dan desain meja dari mahasiswi dari Teknik Industri yang mengambil topik perancangan rumah kaca. Terdapat juga permasalahan instalasi sensor, dimana perangkat lunak sistem harus dimodifikasi akibat adanya tambahan sensor yang sama (modifikasi address dan register). Pemasangan sensor baru dapat dilakukan di akhir Oktober dan awal November. Masalah lainnya adalah adanya proses pemindahan rumah kaca ketika kegiatan SIAP 2016 pada bulan Agustus. Panitia SIAP memindahkan rumah kaca sehingga terdapat kerusakan pada sambungan kayu, sehingga rumah kaca harus mengalami perbaikan. BAB V. HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 3 menunjukan rumah kaca yang telah dibangun. Rumah kaca menggunakan bahan kayu sebagai rangka, plastik ultraviolet sebagai dinding sekaligus untuk menahan panas serta insect net yang juga berfungsi sebagai dinding. Pemasangan insect net berfungsi agar rumah akca tidak terlampau panas. Gambar 4 menunjukan desain meja untuk menanam tanaman. Desain ini dibuat oleh Evelyn Liustanti, mahasiswi Teknik Industri yang mengambil topik perancangan rumah kaca sebagai Tugas Akhir. Meja didesain sehingga luas area untuk bercocok tanam cukup luas, selain itu meja juga dilengkapi saluran air untuk pengairan di rumah kaca. Gambar 5 menunjukan grafik suhu di dalam dan di luar rumah kaca. Terlihat bahwa suhu di dalam dan di luar rumah kaca sangat berbeda. Suhu di dalam rumah kaca lebih tinggi dibandingkan suhu di luar rumah kaca.
9
Gambar 3: Rumah kaca yang berlokasi di rooftop gedung 10
Gambar 4: Rumah kaca dan desain meja, didesain oleh Evelyn Liustanti
10
Hasil Pengukuran Suhu 40
Suhu (Celcius)
35 30 25
t_dalam t_luar
20
15
20:48:49
19:57:44
19:06:39
18:15:35
17:24:30
16:33:26
15:42:21
14:51:17
14:00:12
13:09:07
12:18:02
11:26:58
10:35:53
9:44:49
8:53:45
8:02:41
7:11:37
6:20:35
10
Waktu (sekon) Gambar 5: Hasil pengukuran suhu di dalam dan di luar rumah kaca
Dari Gambar 5 dapat dilihat mulai dari pukul 06.20 WIB sampai dengan pukul 11.30 WIB trend suhu udara mengalami peningkatan. Hal ini disebabkan oleh karena pada waktu tersebut cuaca di daerah pengamatan cerah. Selanjutnya setelah pukul 11.30 sampai pukul 19.00 WIB suhu udara baik di dalam maupun di luar rumah kaca mengalami trend penurunan. Hal ini disebabkan oleh karena di daerah pengamatan mulai turun hujan. Setelah pukul 19.00 WIB suhu relatif stabil. Dari grafik juga dapat dilihat bahwa suhu udara di dalam rumah kaca lebih tinggi daripada di luar rumah kaca. Keadaan ini disebabkan karena ruangan rumah kaca tertutup sehingga panas terperangkap di dalam. Pada siang hari, sekitar 85% dari sinar matahari yang masuk akan terperangkap di dalam rumah kaca dan menjadi panas. Suhu udara mempengaruhi aktifitas kehidupan tanaman, antara lain pada proses fotosintesis, respirasi, transpirasi, pertumbuhan, penyerbukan, pembuahan, dan keguguran buah. Besar kecilnya pengaruh ini terkait dengan faktor yang lain seperti kelembaban, tersedianya air, dan jenis tanaman. Rata-rata suhu udara yang dibutuhkan untuk aktifitas tanaman berkisar pada 15°C hingga 40°C. Gambar 6 menunjukan grafik hasil pengukuran kelembaban udara. Pengukuran kelembaban dan temperatur udara di dalam rumah kaca dilakukan dengan menggunakan satu buah sensor. Data keluaran sensor ke Arduino adalah data digital. Hasil pengukuran kelembaban menunjukkan bahwa mulai pukul 10.00 WIB sampai pukul 13.00 WIB kelembaban udara menurun. Hal ini dapat dimengerti karena radiasi cahaya matahari mulai menghasilkan panas. Kemudian setelah pukul 13.00 WIB, kelembaban meningkat kembali sampai selesai pengukuran pada pukul 21.00 WIB. Sementara hasil pengukuran temperatur ruangan menunjukkan hasil yang berlawanan. Mulai pukul 10.00 WIB sampai dengan 13.00 WIB temperatur ruangan meningkat dan kemudian mulai turun setelah pukul 13.00 WIB.
11
Kelembaban udara di dalam rumah kaca
kelembaban udara (%)
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
Waktu
Gambar 6: Hasil pengukuran kelembaban udara di dalam rumah kaca BAB VI. KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan yang dapat diperoleh dari penelitian ini antara lain 1. Sistem mampu mengukur suhu di dalam dan di luar rumah kaca dan kelembaban di dalam rumah kaca. 2. Suhu di dalam rumah kaca lebih tinggi dibandingkan diluar rumah kaca. 3. Data yang diperoleh sejauh ini berupa data text yang tersimpan pada memory card yang dipasang pada ethernet shield Arduino Mega. Saran untuk pengembangan penelitian ini antara lain 1. Jumlah sensor harus ditambah, mengingat ukuran rumah kaca yang cukup besar 2. Dapat ditambahkan aktuator suhu atau sistem pengairan seperti usulan pada proposal penelitian. 3. Data dapat ditampilkan secara online. DAFTAR PUSTAKA 1. Syahrul Munir, Rancangan Smart Greenhouse dengan Teknologi Mobile untuk Efisiensi tenaga, biaya, dan waktu dalam pengelolaan tanaman, Skripsi Fakultas Teknologi Industri, UPNVeteran Jawa timur, 2012 2. Agus Sugiono, Kendali Sistem Energi Untuk Pertanian Rumah Kaca, Prosiding Seminar Nasional Penerapan Teknologi Kendali dan Instrumentasi pada Pertanian, 1998 3. Mulkan Azizi, Sunardi, Munawar Agus R, Perancangan Sistem Pengendali Suhu pada Prototype Green House Berbasis Kendali Logika Fuzzy, Makalah Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro Fakultas Teknik Undip 4. OlgaMelo, Rhiza S. Sadjad, Adnan, Rumah Kaca Cerdas Untuk Budidaya Tanaman Bunga Krisan 5. Mareli Telaumbanua, Bambang Purwantana, Lilik Sutiarso, Rancangbangun Aktuator Pengendali Iklim Mikro di Dalam Greenhouse Untuk Pertumbuhan Tanaman Sawi, Agritech, Vol. 34, No. 2, 2014 6. Tony K. Hariadi, Sistem Pengendali Suhu, Kelembaban dan Cahaya dalam Rumah Kaca, Jurnal Ilmiah Semesta Teknika, Vol. 82 10, No. 1, 2007: 82 – 93 7. Bimo Ananto Pamungkas, Adian Fatchur Rochim, Eko Didik Widianto, Perancangan Jaringan Sensor Terdistribusi Untuk Pengaturan Suhu, Kelembaban, dan Intensitas Cahaya, Makalah Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro Fakultas Teknik Undip 8. Rana H. Hussain1, Dr. Ali F. Marhoon1, Dr. Mofeed T. Rashid, Wireless Monitor and Control System for Greenhouse, IJCSMC, Vol. 2, Issue. 12. 12
