Seminar Nasional Maritim, Sains, dan Teknologi Terapan 2016 Vol. 01 Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, 21 November 2016
ISSN: 2548-1509
Ubiquitous Mobile Sensing untuk Sistem Monitoring Kualitas Sumber Daya Air PDAM Kota Surabaya Adianto1*, Yuning Widiarti1, dan Mirna Apriani1 1
Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, Jalan Teknik Kimia Sukolilo, Surabaya 60111 *
[email protected] Abstrak
Proyeksi kebutuhan terhadap air bersih di kota Surabaya semakin meningkat dari tahun ke tahun seiring bertambahnya jumlah penduduk. Teknologi komunikasi data yang berkembang pesat mendorong peneliti untuk mendesain sebuah sistem monitoring kualitas air PDAM yang efektif dan efisien. Ubiquitous Mobile Sensing merupakan solusi yang ditawarkan sebagai sarana pengambilan data secara real time dan dapat diakses dimanapun user berada. Pada paper ini peneliti menggunakan sistem komunikasi yang berbasis protokol UDP. Pengambilan data dilakukan oleh unit sensor dan mikrokontroler Arduino. Akses data secara realtime dan mudah dapat dilakukan oleh user dengan memanfaatkan smartphone. Dengan sistem Ubiquitous Mobile Sensing ini diharapkan data yang dihasilkan lebih akurat, cepat dan lebih murah. Kata kunci: protokol UDP, sistem monitoring, ubiquitous mobile sensing
PENDAHULUAN Kebutuhan air bersih di daerah perkotaan khususnya kota-kota besar sangat bergantung kepada jasa perusahaan penyediaan air minum daerah (PDAM). Kebutuhan akan air minum yang bersih semakin meningkat seiring dengan pertumbuhan jumlah penduduk dan industri, namun peningkatannya tidak sebanding dengan ketersediaannya. Saat ini, sumber-sumber air yang ada kualitasnya semakin menurun karena pencemaran. Seperti halnya kota Surabaya, dengan jumlah penduduk 2.711.090 jiwa (data BP3S Kota Surabaya) sangat berpengaruh pada tuntutan akan kebutuhan air bersih. Peningkatan kebutuhan air bersih mendorong manusia untuk berusaha meyediakan air bersih dengan standar kualitas dan kuantitas, dalam arti luas peningkatan jumlah penduduk dan aktifitas sosial berpengaruh pada peningkatan kebutuhan akan air bersih (Ikhsan S.,2003).
Gambar 1. Peta Kali Surabaya Sekitar 96% air baku PDAM Kota Surabaya dipasok dari Kali Surabaya. Sedangkan kualitas air Kali Surabaya tidak mendukung sebagai peruntukkan badan air sumber air baku karena beban pencemar Kali Surabaya telah melebihi baku mutu air Kelas II (Herera dkk, 2013). Sementara itu, bila ditinjau dari segi kuantitas, Perum Jasa Tirta telah memprediksi bahwa pada tahun 2025, Surabaya akan mengalami deficit air bersih sebesar 7,43 m3/detik (Kusumawardani, 2010). Masalah utama Kali Surabaya adalah sebagian besar limbah cair hasil dari kegiatan manusia dibuang ke saluran yang bermuara di Kali Surabaya. Limbah tersebut berasal dari pemukiman, industri, pertanian, peternakan, dan lain-lain. Sekitar 60% pencemaran Kali Surabaya berasal dari limbah domestik (Fatnasari dan Hermana, 2010). Hal yang perlu dikhawatirkan adalah pencemaran 199
oleh limbah industri. Menurut hasil riset Ecoton dan National Institute Minamata Disease menunjukkan bahwa badan air, lumpur, kerang, ikan, dan ekosistem Kali Surabaya telah terkontaminasi merkuri, timbal, kadmium, tembaga, dan besi dengan kadar yang melebihi ambang batas. Permasalahan kualitas air menjadi perhatian bagi semua pihak. Dalam hal ini monitoring dan evaluasi kualitas air menjadi sesuatu yang sangat penting dalam pengelolaan dan pemanfaatan sumber daya air yang berkelanjutan. Selama ini monitoring dilakukan secara berkala pada periode tertentu dengan pendekatan secara manual. Pendekatan secara manual ini dilakukan dengan membawa sampling air ke laboratorium dan mengujinya. Analisis yang dilakukan memerlukan biaya yang mahal, waktu yang lama dan resolusi yang rendah. Peneliti-peneliti sebelumnya telah banyak menyumbangkan hasil karya ilmiahnya diantaranya: Chaamwe (Chaamwe, N. et al, 2010) menekankan fakta bahwa WSNs cocok untuk pemantauan kualitas air. Dalam penelitiannya yang berjudul On the Design of a Water Quality Wireless Sensor Network (WQWSN): An Application to Water Quality Monitoring in Malawi pada tahun 2009 Zennaro, dkk mengusulkan desain WSN untuk sistem pemantauan kualitas air (Zennaro, M. et al,2009 ). Mereka menggunakan Sun motes SPOT dan 90FLT seriE sensor oleh TPS untuk mengukur pH air, konduktivitas, jumlah garam terlarut (TDS), oksigen terlarut (DO), kekeruhan dan suhu. Biaya sistem yang diusulkan sekitar US $ 3.400. Namun solusi yang ditawarkan tidak cocok untuk jangka panjang lingkungan luar. Dengan menggunakan kontroler ARM, Kumar et al. (Kumar, R.K. et al, 2014) menampilkan sistem pemantauan kualitas air berbasis WSN tenaga surya untuk mengukur pH air, tingkat oksigen dan kekeruhan. Selanjutnya,Aravinda et al. (Rao, A.S. et al, 2013) menyajikan sistem monitoring parameter fisik-kimia air secara nirkabel murah menggunakan Arduino Mega 2560. Mereka mengukur pH, DO, conductibility, potensial reduksi oksidasi, cahaya dan suhu air. Penulisnya melaporkan bahwa sistem membutuhkan biaya sekitar US $ 1.040. Namun pendekatan mereka menggunakan komputer sebagai gateway yang mahal. Pada paper ini penulis mengusulkan pembuatan sebuah sistem UMS untuk memonitor kualitas air. Sistem ini terdiri dari mikrokontroler Arduino, unit sensor parameter kualitas air dan smartphone Android. Parameter kualitas air yang dimonitor pada penelitian ini meliputi: temperatur, DO, pH dan nilai konduktivitas listrik. Data yang dihasilkan disajikan dalam bentuk visualisasi yang dapat diakses secara realtime dan mudah tanpa menginstal perangkat lunak tertentu. Sistem monitoring ini sesuai diaplikasikan pada lingkungan outdoor dan dapat digunakan dalam waktu yang lama. METODOLOGI Perencanaan secara sistematis dilakukan untuk desain sistem monitoring kualitas sumber air PDAM Surabaya. Terdapat empat komponen utama dalam rangkaian pekerjaan penelitian ini, yaitu: 1) satu set perangkat sensor kualitas air yang terdiri dari mikrokontroler Arduino dan sensor unit, 2) modul komunikasi yang menghubungkan perangkat sensor dan smartphone 3) aplikasi mobile yang dikembangkan menggunakan platform android, dan 4) Data Center. Arsitektur sistem dapat ditunjukkan seperti pada Gambar 2.
DATA CENTER WAN / INTERNET DENGAN JALUR VPN
TAB / SMARTPHONE
MODUL KOMUNIKASI SERIAL BLUETHOOT
DATABASE HASIL UBIQUITOUS MOBILE SENSING
MIKROKONTROLER ARDUINO
SERVER
MODEM
SWITCH
MODUL SENSOR
ROUTER
Gambar 2. Arsitektur sistem Mikrokontroler Arduino merupakan perangkat kontrol utama yang mengendalikan dan melakukan tindakan yang diperlukan oleh sistem. Unit sensor terdiri dari beberapa sensor yang digunakan untuk mendeteksi beberapa parameter kualitas air. Terdapat 4 sensor untuk mengukur parameter kualitas air, meliputi: sensor pH, sensor EC, sensor DO, dan sensor temperatur. Sensor dan modul komunikasi secara langsung dihubungkan ke kontroler utama. Mikrokontroler Arduino berkomunikasi dengan smartphone android melalui modul bluetooth serial. Kemudian smartphone android akan mengirimkan data melalui internet dalam bentuk jaringan Virtual Private Network (VPN) ke Data Center monitoring sumber air.
200
Seminar Nasional Maritim, Sains, dan Teknologi Terapan 2016 Vol. 01 Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, 21 November 2016
ISSN: 2548-1509
Perangkat sensor terdiri dari mikrokontroler Arduino, unit sensor dan power supply, seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Sensor EC, pH, dan DO diinterface dengan mikrokontroler kecuali sensor temperatur yang secara langsung dihubungkan dengan mikrokontroler Arduino. Sensor-sensor tersebut dikalibrasi secara akurat agar dapat digunakan dengan benar.
TX RX E A B
To Arduino
Gambar 3. Sensor Unit Modul Bluetooth serial digunakan untuk menyediakan komunikasi antara perangkat sensor dan smartphone Android. Banyak smartphone saat ini memiliki kemampuan untuk berkomunikasi menggunakan Bluetooth. Modul Bluetooth juga dapat dengan mudah digunakan dengan Arduino untuk komunikasi serial nirkabel. Modul ini memiliki dua mode, yaitu: perangkat master dan slave yang dikonfigurasi untuk beroperasi dalam modus master. Perangkat jaringan yang akan dipakai pada penelitian ini meliputi modem untuk menerima data dari WAN/INTERNET, dalam hal ini akan melalui jalur VPN. Untuk mendesain jalur VPN sendiri memerlukan perangkat Router. Perangkat Router ini memiliki fungsi membuat jalur khusus dengan smartphone yang melewati jaringan internet. Jalur khusus yang dibentuk ini memiliki fungsi seperti pipa. Sehinggga data yang dikirimkan dari perangkat smartphone android akan cepat dan aman. Dari router ini data akan disimpan dalam datacenter. HASIL DAN PEMBAHASAN Pada penelitian ini peneliti telah menyelesaikan pembuatan sistem monitoring parameter kualitas sumber daya air PDAM. Bagian dari sistem yang akan dibangun yaitu : a. Pembuatan datacenter yang digunakan untuk log record dari Sistem Monitoring Kualitas Kolam Ikan Gurami yang pekerjaannya meliputi: Instalasi Server dengan menggunakan Linux Ubuntu Server 14.04 Pengaturan net / jaringan pada network interface Instalasi dan pengaturan web server dengan menggunakan perangkat lunak Nginx Instalasi dan pengaturan database server dengan menggunakan peragkat lunak MySQL Instalasi dan pengaturan phpmyadmin yang digunakan sebagai panel pengaturan database MySQL Instalasi dan pembuatan perangkat lunak yang dipakai sebagai aplikasi server dengan menggunakan Node Js Instalasi dan pembuatan perangkat lunak yang dipakai sebagai interface secara online dan dapat diakses dari berbagai tempat dengan menggunakan jaringan internet dengan menggunakan perangkat lunak pengembang berupa PHP, HTML, Jquery AJAX Alamat datacenter yang dapat diakses ada di http://103.24.50.18/new_phiber/
201
Gambar 4. Sistem Kualitas Sumber Daya Air PDAM b. Peneliti telah membuat perangkat lunak dalam smartphone android yang berperan sebagai interface monitor internal dan perangkat yang mengirimkan data parameter kualitas air kedalam datacenter.
Gambar 5. Aplikasi Android Sistem Kualitas Sumber Daya Air PDAM Dalam aplikasi yang ditanam pada perangkat smartphone android juga terdapat aplikasi untuk log record atau pencatatan data parameter sensor jika ada kegagalan pengiriman data melalui jaringan wireless dalam hal ini menggunakan jaringan data LTE. Data parameter kualitas air didapatkan dari unit sensor yang masuk dan diproses pada Mikrokontroller Arduino. Data ini kemudian diatur sedemikian rupa untuk selanjutnya dikirim ke smartphone android dengan bentuk serial data melalui modul bluetooth. Pengiriman data ke smartphone dari mikrokontroler secara otomatis dilakukan jika ada pairing modul Bluetooth. Proses ini dapat ditunjukkan pada Gambar 6.
SENSOR PH
ARDUINO
SMARTPHONE
SENSOR SUHU
Gambar 6. Aliran Komunikasi DataUnit Sensor dengan Smartphone Android 202
Seminar Nasional Maritim, Sains, dan Teknologi Terapan 2016 Vol. 01 Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya, 21 November 2016
ISSN: 2548-1509
Di dalam smartphone, data sensor yang telah diperoleh melalui serial komunikasi akan ditambahkan hari dan waktu penyimpanan data. Data ini selanjutnya melalui protokol UDP akan dikirimkan ke datacenter dengan balasan bahwa data telah diterima dengan benar. Pada penelitian ini digunakan protocol UDP yang bersifat connectionless. Pada penelitian sebelumnya digunakan connection oriented communication, namun operator seluler yang ada tidak mengijinkan pengiriman data dengan menggunakan jenis ini. Oleh karena itu pada penelitian ini digunakan jenis connectionless communication yang di modifikasi dengan pemberian notifikasi setelah data sampai pada datacenter. Data dari smarthphone saat dikirimkan ke datacenter akan ditangani oleh aplikasi server yang berfungsi sebagai pemisah data untuk dimasukan kedalam database. Proses memisah dan memasukkan data ini dengan menggunakan Node Js. Node Js adalah program varian untuk pengembangan program javascript. Data yang diterima di server yaitu data tanggal,waktu,posisi, suhu, pH, kadar oksigen terlarut dan konduktivitas listrik yang selanjutnya data ini dimasukan dalam MySql. Pada saat yang sama, data juga ditampilkan pada web secara realtime, seperti terlihat pada Gambar 4. KESIMPULAN Dari tahap kegiatan penelitian yang telah dilakukan, maka diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1. 2. 3.
Ubiquitous mobile sensing yang digunakan untuk memonitor kualitas sumber daya air PDAM telah terbukti bekerja dengan baik. Program database server MySQL terbukti efektif digunakan dalam proses penyimpanan data dari smartphone android ke datacenter. Proses penyimpanan data melalui jaringan wireless dengan jalur data LTE juga harus mempertimbangkan datacenter yang digunakan karena berkaitan dengan regulasi tiap operator yang membolehkan komunikasi data wireless berbasis socket dengan protokol TCP/IP
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Direktorat Riset dan Pengabdian Masyarakat (DRPM) DIKTI yang telah memberikan pendanaan dalam pelaksanaan program penelitian Hibah Bersaing Tahun 2016, Politeknik Perkapalan Negeri Surabaya sebagai institusi yang telah banyak memberikan dukungan sarana dan prasarana demi terselesaikannya penelitian dan PDAM yang telah memberikan dukungan dan kerjasama yang baik dalam kegiatan penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA Setiawan, M. Ikhsan, Study Pemenuhan Kebutuhan Air Bersih PDAM Kota Surabaya Tahun Proyeksi (2015) Herera, A. (2013). Studi Penentuan Daya Tampung Beban Pencemaran Kali Surabaya Dengan Menggunakan Paket Program QUAL2Kw. Universitas Brawijaya. Kusumawardani, D. 2010. Valuasi Ekonomi Air Bersih di Surabaya. Universitas Gajah Mada. Fatnasari, H. dan Joni H. 2010. Strategi Pengelolaan Air Limbah Permukiman di Bantaran Kali Surabaya. Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XI. 6 Pebruari .2010. D-5-1. Chaamwe, N., Liu, W. and Jiang, H. (2010) Wireless Sensor Networks in the Context of Zambia: A Developing Country. 2010 Second International Conference on Information Technology and Computer Science (ITCS), Kiev, 24-25 July 2010, 474-478. http://dx.doi.org/10.1109/ITCS.2010.122 Zennaro, M., Floros, A., Dogan, G., Sun, T., Cao, Z., Huang, C., Bahader, M., Ntareme, H. and Bagula, A. (2009) On the Design of a Water Quality Wireless Sensor Network (WQWSN): An Application to Water Quality Monitoring in Malawi. 2009 International Conference on Parallel Processing Workshops, Vienna, 22-25 September 2009, 330-336.http://dx.doi.org/10.1109/ICPPW.2009.57 Kumar, R.K., Mohan, M.C., Vengateshapandiyan, S., Kumar, M.M. and Eswaran, R. (2014) Solar Based Advanced Water Quality Monitoring System Using Wireless Sensor Network. International Journal of Science, Engineering and Technology Research (IJSETR), 3, 385-389.
203
204
