Alat Detektor Api, Asap, dan Karbon Monoksida dalam Ruangan dengan Transmisi Data Nirkabel

Moch. Rifai Syambera1, Nining Diana Ria2, danYusuf Irkham3, Teknik Elektronika, Politeknik Negeri Semarang

Intisari—Untuk mengetahui adanya api, asap dan gas karbon monoksida dalam ruangan, dibutuhkan alat untuk mendeteksi serta menentukan kadar konsentrasi tersebut. Maka dalam penelitian ini dibuatlah aplikasi Arduino Uno menggunakan masukan sensor api, asap, dan karbon monoksida dengan luaran XBee. Sensor untuk mendeteksi adanya api ini menggunakan flame sensor. Sensor untuk mengetahui konsentrasi dan kadar asap di udara menggunakan sensor MQ-2. Dan sensor untuk mengetahui konsentrasi dan kadar gas karbon monoksida (CO) menggunakan sensor MQ-7. Sedangkan Arduino Uno sebagai kontroler dan pemroses sinyal, serta XBee berfungsi sebagai pengirim data pada masing-masing sensor.

Kata Kunci : Arduino Uno, Sensor Api, Asap, Karbon Monoksida, XBee

Abstract—To determine the presence of fire, smoke and carbon monoxide in the room, it takes a tool to detect and determine the concentration levels. So in this study made ​​Arduino Uno applications using sensor inputs fire, smoke, and carbon monoxide with XBee outcomes. Sensors to detect the presence of the flame using flame sensors. Sensors to determine the concentration and level of smoke in the air using MQ-2 sensor. And sensors to determine the concentration and the levels of carbon monoxide (CO) sensor using MQ-7. While the Arduino Uno as controllers and signal processing, as well as the XBee function as the sender of data each sensor.

Keywords : Arduino Uno, Fire Sensor, Smoke, Carbon Monoxide, Xbee

I.     Pendahuluan

D

alam perkembangan teknologi, banyak sarana yang dirancang secara otomatis untuk membantu kegiatan manusia dalam mengatur keamanan lingkungan ataupun ruangan yang memerlukan tingkat pengamanan yang lebih ketat. Terutama pada ruangan yang harus terhindar dari nyala api, asap dan gas beracun seperti gas karbon monoksida. Hal ini dilakukan untuk menghindari kebakaran ruangan dan gas beracun yang dapat membahayakan pernapasan manusia yang ada di dalam ruangan.

                Berdasarkan hal di atas maka dirancanglah alat untuk mendeteksi adanya api, asap, dan gas karbon monoksida yang dikontrol menggunakan Arduino Uno. Alat ini akan bekerja dengan mengirimkan data api, asap, dan gas karbon monoksida menggunakan teknologi XBee.

                Diharapkan dengan  adanya alat pendeteksi api, asap, dan gas karbon monoksida ini, dapat mempermudah kita untuk menghindarkan ruangan khusus agar ruangan tersebut terhindar dari hal-hal yang dapat membahayakan penghuninya.

II.     Tinjauan Pustaka

Untuk mengetahui berbagai komponen dan peralatan yang dibutuhkan, maka disusunlah tinjauan pustaka sebagai acuan dalam merancang dan membuat aplikasi menggunakan Arduino ini.

A.     Sensor Api (Flame Sensor)_[4]

Flame sensor adalah merupakan salah satu alat instrument berupa sensor yang dapat mendeteksi nilai intensitas dan frekuensi api dalam suatu proses pembakaran, dalam hal ini pembakaran dalam boiler pada pembangkit listrik tenaga uap. Flame sensor bisa mendeteksi kedua hal tersebut dikarenakan oleh komponen-komponen pendukung dari flame sensor  tersebut. Prinsip kerja flame sensor adalah dimulai dari bahwa api akan bisa dideteksi oleh keberadaan spectrum cahaya infra red maupun ultraviolet, dan dari situ semacam sensor dalam flame sensor akan bekerja untuk membedakan spektrum cahaya yang terdapat pada api yang terdeteksi tersebut.

Gambar. Spektrum warna pada flame sensor

Flame sensor ini dapat mendeteksi nyala api dengan panjang gelombang 760 nm ~ 1100 nm.Sensor nyala api ini mempunyai sudut pembacaan 60 derajat, dan beroperasi pada suhu -25°C - +85°C. Dan tentu saja untuk Anda perhatikan, bahwa jarak pembacaan antara sensor dan objek yang dideteksi tidak boleh terlalu dekat, untuk menghindari kerusakan sensor.

Gambar. Sensor api (flame sensor)

Spesifikasi sensor:

·         Mendeteksi api, dengan mendeteksi sumber cahaya dan sensitivitas cahaya dengan panjang gelombang 940 nm.

·         Antarmuka analog.

·         Tegangan: +5 V.

·         Jangkauan deteksi: 20 cm (4,8V) – 100 cm(1V).

·         Antarmuka dengan mikrokontroler dan rangkaian logika.

Berikut ini adalah luaran nilai analog dari sensor api:

	Analog
Tidak mendeteksi	Tinggi (lebih dari 2,5V)
Mendeteksi	Rendah (kurang dari 2V)

B.     Sensor Asap (MQ-2)_[7]

(Datasheet Sensor Gas Dan Asap MQ-2 2011).Sensor gas asap MQ-2 ini mendeteksi konsentrasi gas yang mudah terbakar di udara serta asap dan output membaca sebagai tegangan analog.

Sensor gas asap MQ-2 dapat langsung diatur sensitifitasnya dengan memutar trimpot. Sensor ini biasa digunakan untuk mendeteksi kebocoran gas baik di rumah maupun di industri. Gas yang dapat dideteksi diantaranya : LPG, i-butane, propane, methane ,alcohol, Hydrogen, smoke.

Gambar. Sensor MQ-2

Spesifikasi sensor :

•       Catu daya pemanas : 5V AC/DC

•       Catu daya rangkaian : 5VDC

•       Range pengukuran : 

200 - 5000ppm untuk LPG, propane

300 - 5000ppm untuk butane

5000 - 20000ppm untuk methane

300 - 5000ppm untuk  Hidrogen

100 - 2000ppm untuk alkohol

•       Luaran : analog (perubahan tegangan)

Sensor ini dapat mendeteksi konsentrasi gas yang  mudah terbakar di udara serta asap dan keluarannya berupa tegangan analog. Sensor dapat mengukur konsentrasi gas mudah terbakar dari 300 sampai 10.000 sensor ppm. Dapat beroperasi pada suhu dari -20°C sampai 50°C dan mengkonsumsi arus  kurang dari 150 mA pada 5V._[1]

C.     Sensor Karbon Monoksida (MQ-7)_[2]

Sensor MQ-7 merupakan sensor gas karbon monoksida(CO) yang berfungsi untuk mengetahui konsentrasi gaskarbon monoksida (CO). Dimana sensor ini salah satunyadipakai dalam memantau gas karbon monoksida (CO).Sensor ini memiliki sensitivitas tinggi dan waktu responyang cepat. Keluaran yang dihasilkan oleh sensor ini adalahberupa sinyal analog. Sensor ini juga membutuhkantegangan direct current (DC) sebesar 5V. Pada sensor initerdapat nilai resistansi sensor (Rs) yang dapat berubah bilaterkena gas dan juga sebuah pemanas yang digunakansebagai pembersihan ruangan sensor dari kontaminasi udaraluar. Sensor ini memerlukan rangkaian sederhana sertamemerlukan tegangan pemanas (power heater) sebesar 5V,resistansi beban (load resistance), dan output sensordihubungkan ke analog to digital converter (ADC), sehinggakeluaran dapat ditampilkan dalam bentuk sinyal digital.

D.     XBee_[3]

XBee merupakan modul RF yang didesain dengan protokol standar IEEE 802.15.4 dan sesuai dengan kebutuhan sederhana untuk jaringan tanpa kabel. Kelebihan utama yang menjadikan XBee sebagai komunikasi serial nirkabel karena XBee memiliki konsumsi daya yang rendah yaitu hanya 3,3 V dan beroperasi pada rentang frekuensi 2,4 GHz.

Gambar. Komponen XBee

Dalam melakukan komunikasi dengan perangkat lainnya Xbee mampu melakukan komunikasi dengan dua macam komunikasi yang berbeda, tergantung dari perangkat apa yang dihubungkan dengan modul Xbee. Komunikasi dapat dilakukan dengan menggunakan jaringan tanpa kabel dan komunikasi secara serial.

Komunikasi serial adalah salah satu metode komunikasi data di mana hanya satu bit data yang dikirimkan melalui seuntai kabel pada suatu waktu tertentu.  Pada dasarnya komunikasi serial adalah kasus khusus komunikasi paralel dengan nilai n = 1, atau dengan kata lain adalah suatu bentuk komunikasi paralel dengan jumlah kabel hanya satu dan hanya mengirimkan satu bit data secara simultan. Hal ini dapat disandingkan dengan komunikasi paralel yang sesungguhnya di mana n-bit data dikirimkan bersamaan, dengan  nilai umumnya 8 ≤ n ≤ 128.  Untuk komunikasi serial tersinkron, lebar pita setara dengan frekuensi jalur.

E.     Arduino Uno_[3]

Arduino merupakan modul atau kit mikrokontroler yang bersifat  sumber terbuka baik piranti  keras maupun piranti lunaknya.  Pengertian awam, Arduino merupakan komputer kecil yang dapat di program untuk memproses masukan dan luaran antara modul itu sendiri dengan komponen eksternal yang dihubungkan dengannya. Arduino memiliki kompilator  program  tersendiri menggunakan bahasa C++ yang dilengkapi dengan program pustaka yang memudahkan para pengguna untuk merancang suatu program. Perangkat kerasnya terdiri dari pengendali yang memiliki desain sederhana dengan Atmel AVR sebagai pengolah utama dan pintu masukan serta luaran yang langsung terpasang pada papan utamanya.

Beberapa macam jenis Arduino dijual  dipasaran,  salah satunya Arduino Uno dengan  tipe terbaru  yaitu  Arduino Uno R3.  Modul ini  memiliki 14 pin masukan/luaran (yang mana 6 dapat digunakan sebagai PWM output), 6 analog input, keramik resonator 16MHz, koneksi USB,  power jack,  header  ICSP, dan tombol reset, memuat semua yang dibutuhkan untuk mendukung mikrokontroler. Arduino R3 dapat dihubungkan langsung ke komputer dengan kabel USB atau dengan mencatu dengan catu daya. 

Gambar. Arduino Uno

Fitur-fitur yang dimiliki oleh Arduino Uno R3 ditunjukkan dibawah ini.

•       Mikrokontroler : ATmega328

•       Kaki I/O digital : 14 (6 diantaranya adalah PWM)

•       Kaki I/O analog : 6

•       Flash Memory : 32 KB (8 KB digunakan untuk bootloader)

•       SRAM : 2 KB

•       EEPROM : 1 KB

•       Tegangan kerja : 5 volt

•       Tegangan masukan : 7 – 12 volt

•       Arus DC pada kaki I/O : 40 mA

Arduino Uno R3  dapat diaktifkan melalui koneksi USB atau dengan catu daya eksternal. Sumber listrik dipilih secara otomatis. Daya eksternal (non-USB) dapat menggunakan  adaptor AC-DC atau baterai.  Arduino ini  dapat beroperasi pada catu tegangan  eksternal dari 6  Volt  sampai 20  Volt. Rentang  tegangan  yang dianjurkan adalah 7 sampai 12 Volt.

Masing-masing dari 14  kaki  digital pada  Arduino  Uno R3 dapat digunakan sebagai masukan atau luaran, menggunakan  fungsi pinMode (), digitalWrite (), dan digitalRead(). Mereka beroperasi  pada tegangan  5 Volt. Setiap  kaki  dapat memberikan atau menerima maksimum 40 mA dan memiliki resistor  pull-up internal  (terputus secara alami)  sebesar 20-50 KOhms. Selain itu, beberapa kaki memiliki fungsi khusus: 

III.     Perancangan Alat

A.     Perangkat Keras dan Rangkaian Elektronika

Adapun sistem yang digunakan yaitu :

1.       Sensor api (flame sensor)

2.       Sensor asap (MQ-2)

3.       Sensor gas karbon monoksida (MQ-7)

4.       XBee sebagai pengirim data

5.       Arduino Uno sebagai pengendali semua perangkat

6.       Rangkaian PCB untuk masukan

7.       Rangkaian PCB untuk luaran (XBee).

B.     Blok Diagram Hubungan Komponen Utama

Blok diagram aplikasi Arduino Uno menggunakan masukan sensor api, asap, dan karbon monoksida dengan luaran XBeedapat dilihat pada gambar dibawah ini :

Gambar. Blok Diagram Komponen Utama

C.     Melakukan PengaturanKonfigurasi pada XBee

Sebelum menggunakan XBee terlebih dahulu harus dikonfigurasi. Berikut ini adalah beberapa langkah yang dilakukan agar XBee pada Pemancar dan XBee pada penerima dapat saling bertukar data.

•       Hubungkan XBee ke PC/laptop dengan menggunakan XBee adapter.

Gambar. XBee adapter

•       Jalankan program X-CTU yang telah diinstal sebelumnya.

•       Pada tampilan X-CTU, pilih COM port yang digunakan oleh XBee. Untuk mengetahui COM port yang digunakan XBee buka device manager pada PC/laptop dengan cara klik kanan pada computer lalu pilih Manage kemudian Device Manager. Pilih tanda panah pada bagian Ports (COM & LPT) dan lihat usb port yang aktif.

•       Setelah itu lakukan pengaturan baudrate, flow control, data bits, parity, dan stop bits. Kemudian tekan tombol “Test Query”.

•       Jika koneksi antara X-CTU dengan XBee gagal, maka akan muncul sebuah pesan kesalahan dan jika koneksi berhasil, maka akan tampil modem type dan firmware version dari XBee yang sedang digunakan.

•       Setelah koneksi berhasil, pilih tab Modem Configuration untuk mengkonfigurasi parameter-parameter yang diperlukan.

•       Tekan tombol “Read”, untuk membaca dan menampilkan pengaturan yang sedang digunakan XBee.

•       Agar dapat melakukan komunikasi lakukan pengaturan pada beberapa parameter berikut ini :

                PAN ID_server = PAN ID_{semua robot,} 

                DL_server = MY_{semua robot,}

                DL_{semua robot} = MY_server.

•       Setelah selesai melakukan konfigurasi beberapa parameter, langkah terakhir yaitu menyimpan konfigurasi yang telah dilakukan pada XBee. Untuk menyimpan konfigurasi tersebut, cukup dengan menekan tombol “Write” pada X-CTU. Di bawah ini gambar hasil read dan write XBee.

D.     Perangkat Lunak Alat

1)     Diagram Alir Program

Untuk diagram alir program aplikasi Arduino Uno menggunakan masukan sensor api, asap, dan karbon monoksida dengan luaran XBee dapat dilihat dibawah ini :

Gambar. Diagram Alir Program

Gambar. Diagram Alir Sub Program

IV.     Pengujian Alat

Dalam pengujian ini, meliputi pengujian sensor api, asap, sensor gas karbon monoksida dan XBee. Pengujian alat atau kalibrasi ini dilakukan untuk mengetahui perbedaan atau penyimpangan dari suatu nilai yang sebenarnya dengan nilai alat ukur yang ditunjuk.

A.     Pengujian Sensor Api

Dalam pengujian sensor api (flame sensor) ini adalah dengan mendekatkan nyala api dengan sensor tersebut.

Kondisi	Luaran
Tidak Ada Api	Tinggi
Ada Api	Rendah

Tabel. Pengujian sensor api (flame sensor)

B.     Pengujian Sensor Asap

Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui kadar dan konsentrasi asap yang dihasilkan oleh sensor asap yang digunakan untuk mendeteksi asap di ruangan.

Kadar Asap	Konsentrasi
6 %	882
2 %	494
1 %	299

Tabel. Pengujian Sensor Asap (MQ2)

C.     Pengujian Sensor Gas Karbon Monoksida

Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui kadar dan konsentrasi gas karbon monoksida yang dihasilkan oleh sensor karbon monoksida yang digunakan untuk mendeteksi gas karbon monoksida di ruangan.

Kadar Gas CO	Konsentrasi
5 %	119
3 %	79
1 %	39

Tabel. Pengujian Sensor Gas Karbon Monoksida (MQ7)

V.     Kesimpulan

Setelah melakukan percobaan, pengambilan data, dan penganalisaan terhadap data yang telah didapat pada penelitian ini, yaitu alat detektor api, asap, dan karbon monoksida dengan transmisi data nirkabel, maka didapatkan kesimpulan yaitu sebagai berikut:

1)    Dalam percobaan menggunakan sensor api, dihasilkan dua kondisi yaitu jika keluaran analog sensor berlogika rendah maka itu menandakan sensor mendeteksi api, dan apabila sensor berlogika tinggi maka sensor tidak mendeteksi api.

2)    Sensor asap(MQ2) berfungsi untuk mendeteksi adanya kadar asap yang ada di ruangan. Sensor ini dapat mengukur kadar asap pada konsentrasi asap dengan rentang nilai 300 – 10.000.

3)    Sensor Gas Karbon Monoksida(MQ7) berfungsi untuk mendeteksi adanya kadar gas karbon monoksida yang ada di dalam ruangan. Sensor ini dapat mengukur kadar gas karbon monoksida pada konsentrasi gas karbon monoksida di rentang nilai 20 – 2000 ppm.

Referensi

[1]     Agung, Fajri Septia, et. al. Sistem Deteksi Asap Rokok Pada Ruangan Bebas Asap Rokok Dengan Keluaran Suara. AMIN GI MDP.

[2]     Putro, Irvan Adhi Eko. RANCANG BANGUN ALAT UKUR EMISI GAS BUANG, STUDI KASUS: PENGUKURAN GAS KARBON MONOKSIDA (CO). Surabaya: ITS Surabaya.

[3]     Wirawan, Bangun, et. al. 2013. Lampu Pengatur lalu Lintas Portable Menggunakan Jaringan Nirkabel. Semarang: Politeknik Negeri Semarang.

[4]     <http://ardnas20.wordpress.com/2010/12/16/flame-detector/>diakses pada 18 Desember 2013

[5]     <http://arduino.cc/en/Guide/ArduinoXbeeShield> diakses pada 11 Desember 2013

[6]     <http://arduino.cc/en/Tutorial/HomePage> diakses pada 11 Desember 2013

[7]     <http://e-rid.blogspot.com/2009/07/smoke-sensor-mq2.html‎> diakses pada 11 Desember 2013

[8]     <http://ruslan-instrument.blogspot.com/2012/05/flame-detector.html> diakses pada 18 Desember 2013

[9]     <http://www.loveelectronics.co.uk/Tutorials/7/xbee-tutorial-how-to-set-up-your-xbees> diakses pada 11 Desember 2013

[10]  <https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Biometric/MQ-7.pdf‎> diakses pada 11 Desember 2013

[11]  <https://www.sparkfun.com/short/9403> diakses pada 11 Desember 2013

Nama penulis Mochammad Rifai Syambera¹. Penulis dilahirkan di kabupaten Semarang tanggal 10 November 1993. Penulis telah menempuh pendidikan formal di TK Kartika, SDN Pleburan 06 Semarang, SMP N 10 Semarang, dan SMKN 4 Semarang. Tahun 2011 penulis telah menyelesaikan pendidikan SMK. Pada tahun 2011 penulis mengikuti seleksi mahasiswa baru diploma (D3)dan diterima menjadi mahasiswa baru diploma (D3) di kampus Politeknik Negeri Semarang (Polines) dengan Program Studi D3 Teknik Elektronika,Jurusan Teknik Elektro. Penulis terdaftar dengan NIM. 3.32.11.1.14. Apabila ada kritik,saran dan pertanyaan mengenai penelitian ini, bisa menghubungi 085640904181 atau melalui via email: Mochammad_rifai41@yahoo.com.

Nama penulis Nining Diana Ria². Penulis dilahirkan di kabupaten Batang tanggal 2 April 1992. Penulis telah menempuh pendidikan formal di TK Pagilaran 03, SDN  Pacet Batang, SMPN 3 Blado, dan SMAN 1 Bojong Pekalongan. Tahun 2010 penulis telah menyelesaikan pendidikan SMA. Pada tahun 2011 penulis mengikuti seleksi mahasiswa baru diploma (D3)dan diterima menjadi mahasiswa baru diploma (D3) di kampus Politeknik Negeri Semarang (Polines) dengan Program Studi D3 Teknik Elektronika,Jurusan Teknik Elektro. Penulis terdaftar dengan NIM. 3.32.11.1.17. Apabila ada kritik,saran dan pertanyaan mengenai penelitian ini, bisa menghubungi 085641860123 atau melalui via email:niningdianaria@ymail.com.

Nama penulis Yusuf Irkham³. Penulis dilahirkan di kabupaten Jepara tanggal 24 Juli 1993. Penulis telah menempuh pendidikan formal di TK Tunas Harapan, SDN Mayong Kidul 01 Jepara, SMP NU Assalam, dan SMAN 2 Kudus. Tahun 2011 penulis telah menyelesaikan pendidikan SMA. Pada tahun 2011 penulis mengikuti seleksi mahasiswa baru diploma (D3)dan diterima menjadi mahasiswa baru diploma (D3) di kampus Politeknik Negeri Semarang (Polines) dengan Program Studi D3 Teknik Elektronika,Jurusan Teknik Elektro. Penulis terdaftar dengan NIM. 3.32.11.1.24. Apabila ada kritik,saran dan pertanyaan mengenai penelitian ini, bisa menghubungi 085641026927 atau melalui via email: yusuf.irkham@yahoo.com.