MENGUKUR KELEMBABAN TANAH DENGAN KADAR AIR YANG BERVARIASI MENGGUNAKAN SOIL MOISTURE SENSOR FC-28 BERSASIS ARDUINO UNO
A. PENDAHULUAN Sejalan dengan perkembangan teknologi yang semakin pesat dan juga dengan bertambahnya populasi manusia, menyebabkan terjadinya krisis kebutuhan air karena penggunaan secara terus menerus dalam jumlah besar oleh manusia. Ironisnya air merupakan kebutuhan yang paling utama bagi seluruh mahluk hidup. Pada saat musim kemarau keberadaan air semakin langka untuk digunakan pada lahan pertanian. Untuk mendapatkan hasil pertanian yang maksimal dan mengurangi penggunaan air yang sia-sia, pemberian air pada lahan pertanian tidak boleh kurang atau lebih. Karena pemberian air yang kurang atau berlebihan pada tumbuhan dapat menyebabkan tumbuhan tersebut kering atau busuk. Salah satu cara untuk mengetahui apakah air yang dibutuhkan tanaman sesuai dengan kebutuhannya, dapat dilihat dari kelembaban tanahnya. Kelembaban tanah adalah jumlah air yang ditahan di dalam tanah setelah kelebihan air dialirkan, apabila tanah memiliki kadar air yang tinggi maka kelebihan air tanah dikurangi melalui evaporasi, transpirasi dan transporair bawah tanah. Standar atau acuan dalam mengukur kelembaban tanah, yaitu American Standard Method (ASM). Prinsip dari metode ini adalah dengan cara melakukan perbandingan antara massa air dengan massa butiran tanah (massa tanah dalam kondisi kering), yang ditunjukkan oleh persamaan berikut : Rh = x 100% Keterangan : Rh = Kelembaban Tanah (%) ma = Massa Air (Gram) mt = Massa Tanah (Gram) Massa butiran tanah diperoleh dengan menimbang tanah kering. Sedangkan massa air adalah selisih dari massa butiran tanah yang telah diberi air dengan massa butiran tanah. Salah satu cara untuk menentukan kadar air dalam tanah (kelembaban tanah) adalah dengan menggunakan soil moisture sensor. Soil moisture sensor adalah sensor kelembaban yang dapat mendeteksi kelembaban dalam tanah. Sensor ini membantu memantau kadar air atau kelembaban tanah pada tanaman.
1
Sensor ini terdiri dari dua probe untuk melewatkan arus melalui tanah, kemudian membaca resistansinya untuk mendapatkan nilai tingkat kelembaban. Semakin banyak air membuat tanah lebih mudah menghantarkan listrik (resistansi kecil), sedangkan tanah yang kering sangat sulit menghantarkan listrik (resistansi besar). Adapun spesifikasi dari sensor yaitu : 1. Tegangan masukan : 3.3 volt atau 5 volt 2. Tegangan keluaran : 0 - 4.2 volt 3. Arus : 35 mA
Gambar 1. Soil Moisture Sensor FC-28 Sensor ini mampu mendeteksi langsung nilai kelembaban tanah yang menunjukkan banyaknya kadar air di dalam tanah dengan memadukannya dengan mikrokontroller. Mikrokontroler yang digukan adalah Arduino Uno. Arduino Uno adalah board mikrokontroler berbasis ATmega328. Memiliki 14 pin input dari output digital dimana 6 pin input tersebut dapat digunakan sebagai output PWM dan 6 pin input analog, 16 MHz osilator kristal, koneksi USB, jack power, ICSP header, dan tombol reset. Untuk mendukung mikrokontroler agar dapat digunakan, cukup hanya menghubungkan Board Arduino Uno ke komputer dengan menggunakan kabel USB atau listrik dengan AC ke adaptor DC atau baterai untuk menjalankannya. Uno berbeda dengan semua board sebelumnya dalam hal koneksi USBto-serial yaitu menggunakan fitur Atmega8U2 yang diprogram sebagai konverter USB-to-serial berbeda dengan board sebelumnya yang menggunakan chip FTDI driver USB-to-serial.
2
Gambar 2. Modul Arduino Uno B. TUJUAN Projek ini bertujuan untuk merancang alat untuk mengukur kelembaban tanah menggunakan Soil Moisture Sensor berbasis Arduino Uno. C.
PELAKSANAAN
Tempat Poyek ini dilaksanakan di Laboratorium Fisika Dasar Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Mataram.
Waktu Adapun rincian kegiatan seperti yang tertera pada tabel berikut : Tabel 1. Rincian Kegiatan Minggu ke -
No Nama
1
2
3
4
Kegiatan 1
Menentukan tema
2
Mengumpulkan studi literature
3
Mendata
alat
dan bahan 4
Inventaris
alat
dan bahan 5
Merancang alat
6
Pengujian alat
7
Pelaporan
8
Presentasi
3
5
6
7
8
9
10
11
12
D. METODE PENELITIAN 1. Teknik Perancangan Hardware Perancangan hardware meliputi perancangan rangkaian Soil Moisture Sensor FC-28 yang terhubung dengan modul Arduino Uno. Gambar rangkaian yang dirancang ditunjukkan pada gambar 3.
Gambar 3. Rangkaian Soil Moisture Sensor FC-28 Adapun pin arduino yang akan digunakan adalah pin A0, pin GND dan pin Vin. Langkah percobaan yang dilakukan adalah: 1. Mikrokontroler Arduino Uno disiapkan. Kemudian potensiometer sebesar 500k ditancapkan pada breadboard dimana potensiometer terdiri dari 3 kaki. 2. Kaki pertama dihubungkan dengan Soil Moisture Sensor FC-28 melalui kabel penghubung sensor. Sementara kaki potensiometer yang kedua dihubungkan dengan kaki diode yang pertama yang dirangkai panjar maju. 3. Kaki resistor pertama dan kaki kapasitor pertama dihubungkan dengan kaki pertama pada diode. Rangkaian ini berfungsi sebagai input Soil Moisture Sensor FC-28 yang dihubungkan ke pin A0 pada arduino. 4. Sedangkan kaki ketiga dari potensiometer dan kaki kedua dari diode, resistor dan kapasitor digroundkan yang kemudian dihubungkan ke pin ground pada arduino. 5. Kabel kedua pada Soil Moisture Sensor FC-28 dikoneksikan pada power 5V di arduino. 6. Koneksi USB arduino dihubungkan ke port USB laptop. 2. Teknik Perancangan Software Perancangan perangkat lunak meliputi pembuatan program pada software Arduino Uno. Pada perancangan ini pemrograman keseluruhan
4
sistem menggunakan bahasa pemrograman C. Adapun flowchart program pada perancangan perangkat lunak ditunjukkan pada gambar 4. Start
Kelembaban (Pin A0)
Ambil data kelembaban (Data Analog)
Apakah? DA (0– <300)
Ya
Tidak
Apakah?
Ya
DA( – <700)
Kering Lembab Tidak Basah
Tampilkan di serial monitor
Selesai
Gambar 4. Flowchart Program
5
Dari keterangan di atas, terlihat bahwa proses pengukuran kelembaban tanah dapat dilakukan secara otomatis oleh program. Sistem akan mengecek apakah nilai kelembaban tanah berada pada range 0 sampai <300, jika iya maka nilai tersebut masuk pada kategori “Kering” yang ditampilkan pada serial monitor arduino dan jika tidak, sistem akan mengecek kembali apakah nilai kelembaban tanah berada pada range 300 sampai <700. Jika iya maka nilai tersebut masuk pada kategori “Lembab”, jika tidak maka nilai tersebut masuk pada kategori “Basah” yang terlihat pada serial monitor arduino. 3. Teknik Kalibrasi dan Pengujian Alat Proses kalibrasi sensor
dilakukan guna mengetahui tingkat
keakuratan sensor dalam membaca fluktuasi kelembaban tanah dan penentuan nilai set point yang akan dimasukan kedalam program di arduino. Sementara pengujian alat dilakukan dengan tujuan untuk memperoleh karakteristik dari soil moisture sensor FC-28 yang kemudian dapat dilakukan penyesuaian pada sistem. Tanah yang digunakan pada proses kalibrasi dan pengujian alat memiliki berat 391 gram. Proses penambahan air saat kalibrasi sensor sebanyak 10 ml hingga 50 ml untuk kalibrasi skala laboratorium. Adapun langkah-langkah yang dilakukan pada proses kalibrasi yaitu sebagai berikut: 1. Tanah kering yang dimasukkan ke dalam wadah (gelas ukur berukuran 500 ml yang sebelumnya sudah diukur) ditimbang menggunakan timbangan digital untuk memperoleh massa tanah. Massa tanah kering diperoleh melalui: Massa tanah kering = (massa gelas ukur + massa tanah kering) – (massa gelas ukur) 2. Kemudian soil moisture sensor FC-28 ditancapkan pada tanah, lalu menu upload dipilih pada monitor arduino yang sebelumnya sudah dibuat source code programnya. 3. Diklik pilihan serial monitor, maka nilai kelembaban tanah akan muncul pada serial monitor. 4. Sebanyak 10 ml air ditambahkan ke dalam tanah kemudian ditunggu selama 1 menit agar airnya meresap ke dalam tanah. 5. Dipilih menu upload dan serial monitor pada arduino. Langkah ini dilakukan sebanyak 5 kali hingga penambahan porsi air sebesar 25 ml. Adapun rumus yang digunakan untuk mengkonversi nilai keluaran
6
sensor yang terbaca pada serial monitor menjadi satuan voltase adalah sebagai berikut: Voltase = x 5V
E. HASIL DAN PEMBAHASAN 1. Hasil Perancangan Alat Spesifikasi alat yang dirancang adalah sebagai berikut :
Gambar 5. Hasil Perancangan Alat Keterangan gambar : 1. Modul Arduino Uno 2. Soil Moisture Sensor FC-28 3. Kabel penghubung ground 4. Kabel penghubung power 5. Kabel penghubung probe I 6. Diode IN4148 7. Kapasitor ELCO 10µ 16volt 8. Resistor 100k 9. Potensiometer 500k 10. Kabel USB 11. Bread board 12. Kabel penghubung probe II Tampak dari gambar rangkaian di atas, Soil Moisture Sensor FC28 dihubungkan ke Pin A0 sebagai input signal dengan jalur masukan catu daya sebesar 5 volt. Hal ini disebabkan sensor tersebut bekerja
7
dengan baik pada tegangan input sebesar 5 volt dan temperature 100C300C dengan keluaran sebesar 0-4.2 volt. Sensor ini bekerja dengan sistem analog, sehingga dihubungkan ke Pin analog di arduino. Sementara Pin GND pada arduino berfungsi sebagai jalur masukan ground. Kabel USB pada arduino dihubungkan dengan port USB laptop dengan tujuan untuk komunikasi serial dengan laptop dan memberikan daya pada arduino agar tetap bekerja. 2. Hasil Kalibrasi Alat Proses kalibrasi terhadap soil moisture sensor FC-28 digunakan untuk mengetahui dan mendapatkan tingkat keakuratan sensor ketika pengambilan data. Hasil kalibrasi pengukuran kelembaban tanah yang meliputi nilai bacaan sensor, nilai %Rh, nilai tegangan keluaran (voltase) dan nilai sensitivitas dari sensor tersebut dapat dilihat pada tabel 2 berikut: Tabel 2. Hasil Kalibrasi Pengukuran Kelembaban Air Tanah Pengukuran ke-
Nilai Bacaan
%Rh
Sensor
Voltase Sensitivitas (mV)
(%Rh/mV)
1
15
0
75.07
0.000
2
544
2.4
2657.17
0.001
3
606
4.8
2959.29
0.002
4
634
7.3
3098.45
0.002
5
709
9.7
3461.91
0.003
6
732
12.1
3572.08
0.003
Berdasarkan tabel 2 di atas terlihat jelas bahwa semakin besar nilai kelembaban tanah maka nilai tegangan (voltase) tanah yang dikeluarkan oleh soil moisture sensor FC-28 semakin besar pula. Hal ini dikarenakan semakin
lembab
kondisi
tanah
membuat
tanah
lebih
mudah
menghantarkan listrik (resistansi kecil). Jika resistansinya kecil, maka nilai voltase tanah semakin besar. Sedangkan tanah yang kering sangat sulit menghantarkan listrik (resistansi besar). Jika resistansinya besar, maka nilai voltase tanah semakin kecil. Dari nilai %Rh dan voltase dapat diperoleh nilai sensitivitas dari soil moisture sensor FC-28 yang menunjukkan seberapa besar kemampuan sensor untuk mengukur nilai kelembaban tanah. Dari keenam nilai sensitivitas di atas dapat diperoleh rata-rata sensitivitas sensor sebesar 0.02 %Rh/mV. Jika dibandingkan dengan nilai
8
sensitivitas pada Soil Moisture Sensor Specifications (terlampir) yang memiliki sensitivitas sebesar 0.108 %Rh/mV, nilai sensitivitas soil moisture sensor FC-28 sedikit menyimpang. Hal ini dikarenakan pada saat kalibrasi terjadi beberapa kesalahan teknik kalibrasi. Pertama, tanah yang akan digunakan sebagai media pengukuran kelembaban tanah tidak dipanggang, sehingga massa tanah yang diperoleh tidak akurat, sebab pada saat soil moisture sensor FC-28 ditancapkan muncul pada serial monitor nilai 15. Berdasarkan ASM nilai kelembaban tanah adalah 0 %. Artinya tanah dalam kondisi kering. Namun hasil pengukuran menggunakan soil moisture sensor FC-28 menunjukkan bahwa tanah tidak sepenuhnya kering. Kedua, pada saat penambahan kadar air pada tanah, tanah yang ada pada gelas ukur berukuran 500 ml tidak diaduk, sehingga air tidak terdistribusi merata (tidak mencapai titik jenuh). Hal ini menyebabkan pengukuran kelembaban tanah hanya terpusat pada titik yang basah, lembab ataupun kering saja. Sehingga nilai kelembaban tanah yang terbaca oleh sensor menjadi kurang akurat. Meskipun demikian, soil moisture sensor FC-28 dapat dikatakan telah beroperasi dengan cukup baik karena presentase error dari soil moisture sensor FC-28 hanya mencapai 8.8% dari Soil Moisture Sensor Specifications. 3. Hasil Pengujian Alat Dari hasil pengujian soil moisture sensor FC-28, dapat diketahui bahwa semakin besar jumlah penambahan kadar air maka nilai kelembaban tanah semakin meningkat yang ditandai dengan nilai dan kategori “Kering”, “Lembab” dan “Basah” sesuai dengan range yang telah ditentukan yang terlihat pada serial monitor pada arduino. Adapun hasil pengujiannya dapat dilihat pada lampiran 1. F.
PENUTUP A. Kesimpulan Berdasarkan hasil yang diperoleh dapat disimpulkan bahwa perancangan alat soil moisture sensor FC-28 berbasis Arduino Uno telah beroperasi dengan cukup baik karena mampu mengukur kelembaban air tanah pada sensitivitas sebesar 0.02 %Rh/mV dengan presentase error sebesar 8.8% . B. Saran
9
Dalam perancangan alat ini masih terdapat kelemahan. Untuk memperbaiki kinerja alat dan pengembangan lebih lanjut disarankan: 1.
Memanggang tanah terlebih dahulu untuk mendapatkan massa tanah kering yang akurat.
2.
Mengaduk tanah jika telah ditambahkan air agar air dapat terdistribusi merata pada tanah, sehingga tanah menjadi jenuh dan pengukuran kelembaban tanah menjadi akurat.
DAFTAR PUSTAKA
10
Arduino.cc, Arduino unodatasheet. Gani, Siti Hardianti dkk. 2014. Rancang Bangun Sistem Penyiraman Tanaman secara Otomatis Menggunakan Soil Moisture Sensor SEN0057 Berbasis Mikrokontroler Atmega328p. Sumatera Utara: Untad. Isnainin, Rahmat dkk. 2012. Rancangan dan Uji Coba Otomatisasi Irigasi Curah. Jawa Barat: Universitas Agrikultur Bogor. Stevanus, Setiadikurnia D. 2013. Alat Pengukur Kelembaban Tanah Berbasis Mikrokontroler PIC 16F84. Bandung: Universitas Kristen Maranatha.
11
