## Framework Design IoT for Smart Agriculture
Dewi Indriati Hadi Putri Hafiyyan Putra Pratama Nadia Tiara Antik Sari Program Studi Sistem Telekomunikasi Program Studi Sistem Telekomunikasi Program Studi Pendidikan Guru Sekolah Dasar Universitas Pendidikan Indonesia Universitas Pendidikan Indonesia Universitas Pendidikan Indonesia Bandung, Indonesia Bandung, Indonesia Bandung, Indonesia dewiindri@upi.edu hafiyyan@upi.edu nadiatiara.as@upi.edu
Abstract—  West  Bandung  Regency  has  a  very  abundant  potential  of  natural  resources,  one  of which  is  in  agriculture.  Agriculture  is  the  use  of  resources  made  by  humans  to  produce  food  and manage  their  environment.  One  of problem  is  the inability  of  farmers to supervise  and take  care  of crops so that an intelligent agricultural system based on IOT is required. The intelligent agricultural system  aims  to  predict  and  monitor  the  problems  faced  by  farmers  to  increase  the  productivity  of agricultural  products.  In  this  study,  it  proposed  a  design  of  intelligent  agricultural  framework  by configuring  several  sensors  that  generated  data  from  agricultural  land  and  then  the  information  is presented  in  the  monitoring  system  for  the  use  of  the  user  to  determine  the  decisions  in  conducting agricultural activities.
Keywords—Smart Agriculture, Internet of Things, Sensor, Framework design

## I. P ENDAHULUAN
Kabupaten Bandung Barat (KBB) memiliki potensi yang dapat menjadi penggerak perekonomian di Jawa Barat karena mimiliki beberapa modal dasar seperti sumber daya alam dan energi potensial, sumber  daya  pariwisata  yang  memadai,  dan  karakteristik  masyarakat  yang  religious,  harmonis,  dan terbuka terhadap informasi. Berdasarkan modal potensi tersebut pemerintah dan masyarakat membuat program pembangunan KBB dengan memfokuskan pada pengelolaan potensi lokal di setiap wilayah mulai  dari  sektor  pertanian,  sektor  industri  kecil  dan  menengah,  sektor  perdagangan  serta  sektor pariwisata.  Namun  sektor  pertanian  memiliki  kontribusi  yang  paling  kecil  diantara  beberapa  sektor tersebut.
Analisis  potensi  ekonomi  dan  pengarahan  pusat  pertumbuhan  di  Kabupaten  Bandung  Barat menunjukkan  bahwa  dari  segi  pertanian  memiliki  kontribusi  sebesar  10,59  %  terhadap  PDRB Kabupaten Bandung Barat [1]. Hal tersebut dipengaruhi oleh beberapa aspek yang bertanggung jawab dalam  produktifitas  pertanian,  bisa  jadi  karena  limbah  air,  kesuburan  tanah  yang  rendah, penyalahgunaan pupuk, perubahan cuaca ataupun penyakit, dan lain sebagainya. Beberapa tantangan untuk  sektor  pertanian  diberikan  sebagai  berikut  [2]:  1)  Pemanfaatan  cara  tradisional  dalam  bertani menghambat  optimalisasi  anggaran  biaya  serta  waktu,  2)  Menipisnya  tanah  karena  banjir  dan  angin yang  mengakibatkan  pengendapan  polutan,  sedimen,  nitrat,  dan  fosfat,  3)  Menanam  tanaman  yang sama  setiap  sehabis  panen  membuat  kandungan  nutrisi  tanah  berlebihan,  4)  Kelangkaan  air  karena perubahan  iklim  menurunkan  tingkat  air  tanah  untuk  irigasi,  sehingga  mengganggu  siklus  air,  5) Perubahan  iklim  global  karena  penghancuran  hutan  tropis  dan  spesies  vegetatif  lainnya  dalam pertanian  mengakibatkan  peningkatan  kadar  karbon  dioksida  dan  gas  rumah  kaca  lainnya,  6) Kurangnya ahli yang diakui dalam bidang spesies tanaman tertentu, 7) Tidak ada metode yang tepat untuk  mendeteksi  penyakit  pada  tahap  awal,  sehingga  tindakan  pencegahan  dapat  diambil  untuk mencegahnya.
Apabila  tantangan  tersebut  tidak  ditangani  dengan  baik  akan  berpengaruh  terhadap  produktifitas hasil-hasil  pertanian.  Guna  menjawab  tantangan  diatas  diperlukan  sebuah  sistem  yang  dapat mengkoordinir hasil-hasil pertanian agar lebih produktif seperti smart agriculture yang menggunakan
Internet  of  Things (IoT).  Dengan  menggunakan  sistem  IoT  diharapkan  dapat  membantu  para  petani untuk  memaksimalkan  produktifitas  sistem  pertanian  dan  hasil  panen  yang  diharapkan  karena penerapan  IoT  menggunakan  sensor  yang  dapat  diandalkan  keakuratan  datanya  sehingga  dapat memonitoring suatu perangkat yang ada pada sistem smart agriculture . Makalah ini meneliti tentang studi  arsitektur  yang  tepat  digunakan  untuk  mengaplikasikan  komponen-komponen  IoT  pada  sistem smart agriculture pada wilayah Kabupaten Bandung Barat.

## II. A GRICULTURE DI K AWASAN K ABUPATEN B ANDUNG B ARAT
Kabupaten  Bandung  Barat  yang  dijadikan  lokasi  untuk  studi  arsitektur  sistem  smart  agriculture berlokasi di daerah Cisarua. Pada lokasi tersebut mayoritas terdapat tumbuhan sayur-mayur dan buah- buahan seperti kangkung, pakcoy, bayam, sawi dan tanaman tomat yang dibudidayakan dengan cara hidroponik  dan  bersawah  selain  itu  terdapat greenhouse yang  digunakan  untuk  penyemaian  benih. Penyemaian benih tanaman dibutuhkan temperature untuk tanaman tumbuh berkisar antara 11 0- 28 0 C sehingga  untuk  melakukan  penyemaian  bibit  tanaman  dibutuhkan  pengontrolan  suhu  di  dalam greenhouse .
Hama  yang  menyerang  tanaman  terdiri  berbagai  macam  jenis  diantaranya  Tungau  merah ( Tentranychus  SP ),  Kutu  Kebul  ( Bemica  tabaci ),  Ulat  grayak  ( Spodoptera  litura ),  Ulat  penggorok daun  ( Liriomyza  huidobrensis ) dan lalat buah ( Dacus verugenius ).  Namun yang  sering kami jumpai adalah lalat buah dan penggorok daun. Selain hama masalah yang dialami petani adalah sistem irigasi yang belum terkoordinir dengan baik, karena dengan mengoptimalkan penyediaan air dapat memenuhi kebutuhan  tanaman  kemudian  belum  adanya  sistem  monitoring  untuk  kelembaban  atau  suhu  tanah. Sistem monitoring juga dapat digunakan untuk notifikasi pada proses semai, pengukuran kelembaban dan suhu tanah pengaktifkan sistem irigasi dan lain-lain. Budidaya pertanian di daerah cisarua dapat dilihat pada gambar di bawah ini:
Gambar 1.  Tanaman sayur yang dibudidayakan dengan hidroponik
Gambar 2. Contoh tanaman tomat yang terserang hama

## III. I NTERNET OF THING (I O T) B IDANG A GRICULTURE
Pada  dasarnya,  IoT  adalah  integrasi  dari  beberapa  perangkat  untuk  saling  berkomunikasi.  Secara umum  IoT memiliki tiga lapisan sistem  yaitu lapisan persepsi, lapisan jaringan dan lapisan aplikasi. Lapisan persepsi atau sensing layer dianalogikan  seperti panca indera manusia yang berperan dalam mengumpulkan  data  melalui  sensor-sensor  seperti  menangkap  gambar  dari  kamera,  RFID,  dan bentuk-bentuk sensor lain yang bertugas mengumpulkan informasi secara real time . Infrastruktur IoT dikelola  di  dalam  sistem  lapisan  jaringan  atau transport  layer untuk  merealisasikan  layanan  yang universal untuk berbagai macam alat dan teknologi sensor. Dan lapisan aplikasi atau application layer adalah  lapisan  dimana  teknologi  IoT  dipadukan  dengan  teknologi  spesifik  industri  tertentu  untuk  di tingkatkan layanannya [3].
Gambar 3. Desain arsitektur IoT untuk agriculture [4]
Sedangkan pada bidang agriculture penerapan lapisan persepsi menggunakan sensor-sensor seperti sensor hummidity , sensor suhu, dan sensor kelembaban tanah. Pada lapisan jaringan memiliki peranan untuk mentransformasikan data real time dari berbagai sensor yang dikirimkan dengan cara jaringan wireless menggunakan protokol yang mendukung M2M ( Machine to Machine) [5]. Sedangkan pada lapisan  aplikasi  menerapkan  sebuah  monitoring  sistem  dimana  user  dapat  melihat  data  secara  real time yang akan menjadi sebuah informasi untuk menentukan keputusan.
Gambar 4.  Blok diagram sistem IoT smart agriculture
Diatas  merupakan  blok  diagram  yang  umumnya  diusulkan  para  peneliti  dalam  membuat  sistem IoT untuk smart agriculture [3][5][6]. Blok sensor yang terdiri dari sensor humidity, sensor suhu dan sensor  soil  moisture  menangkap  informasi  terkait  dengan  kondisi  real  time  pada  area  tanaman kemudian  data-data  tersebut  dikirimkan  ke  mikrokontroler.  Apabila  terdapat  data  yang  tidak memenuhi kondisi ideal bagi pertumbuhan tanaman maka kontroler akan mengaktifkan actuator mana
yang  dibutuhkan  untuk  menjaga  kondisi  ideal  tanaman.  Misalnya  kondisi  kelembaban  tanah  kering maka actuator yang akan diaktifkan oleh controller yaitu water sprinkle . Informasi atau data tersebut juga  akan  dikirimkan  melalui  jaringan  internet  untuk  disimpan  dalam  database  yang  selanjutkan informasi  disajikan  di monitoring  system ,  user  yang  menggunakan monitoring  system secara  jarak jauh  dapat  mengaktifkan  actuator secara  manual  seperti  mengkatifkan buzzer,  water sprinkle ,  kipas, lampu untuk mengatur kondisi ideal bagi tanaman.
Banyak  penelitian  yang  telah  dilakukan  di  teknologi  IoT  di  bidang  pertanian  untuk mengembangkan  solusi  Pertanian  Cerdas  ( smart  agriculture ).  IoT  telah  membawa  sebuah  revolusi dalam lingkungan pertanian dengan menganalisa komplikasi dan tantangan di bidang pertanian. Saat ini, dengan kemajuan teknologi telah diharapkan bahwa penggunaan IoT dan ahli teknologi pertanian untuk  mengetahui solusi  dari  masalah  petani,  seperti kelangkaan  air,  manajemen  biaya  dan  masalah produktivitas [7].

## IV. S ENSOR DAN P ERANGKAT I O T A GRIKULTUR
Sensing lingkungan terhadap iklim sangatlah penting dalam pengambil keputusan yang benar dan tepat  untuk  mengoptimalkan  produktifitas  dan  kualitas  pertanian.  Pengambilan  keputusan  tersebut dapat  menggunakan  sensor  dalam  bentuk  kabel  maupun wireless  sensor yang  dimanfaatkan  dalam bidang  pertanian.  Beberapa jenis  sensor  yang  digunakan  untuk  sistem  pemantauan  dan  kontrol  pada pertanian  terdiri  dari  humidity  sensor,  sensor  temperature,  sensor  soil  moisture,  UV  sensor,  CO2 sensor, PH sensor dan lain-lain.[8] [9][10].

## A. Sensor Temperatur
Sensor temperature  atau  suhu  yang  digunakan  pada  bidang  pertanian  seperti  sensor  LM  35  yang merupakan tipe analog sensor  yang  memiliki fungsi mengubah besaran suhu menjadi besaran listrik dalam bentuk tegangan. Keakuratan tinggi dengan keluaran impedansi yang rendah dan linieritas yang tinggi.  Prinsip  kerja  sensor  LM35  akan  melakukan  penginderaan  setiap  1 0 C  dengan  menunjukkan tegangan  keluaran  sebesar  10mV.  Sensor  LM35  komponen  utama  yang  digunakan  adalah  sensor dengan  bentuk  IC  tipe  LM35DZ  yang  memiliki  kemampuan  pembacaan  suhu  dengan  rentang  0 0 C- 100 0 C  yang  dikonversi  dalam  besaran  tegangan  dan  arus  kurang  dari  dari  60µA.  Nilai  arus  yang minimal  digunakan  untuk  mencegah  pemanasan  diri  (selfheating)  [11].  Pada  LM3  terdapat  3  pin dengan masing-masing fungsi, pin 1 sebagai sumber tegangan kerja, pin 2 sebagai tegangan keluaran (Vout) dengan jangkauan 0V-1,5 V dan pin 3 sebagai ground. Penampakan fisik sensor LM35 dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

## Gambar 5. Sensor LM35

## B. Sensor Soil Moisture
Pada sistem smart agriculture pemantauan kondisi tanaman atau kondisi kelembapan tanah dalam waktu yang lama dan terus menerus penting dilakukan. Tak terkecuali sistem irigasi dan pengaturan kelembapan  tanah  pada  suatu  lahan  dapat  dilakukan  secara  otomatis  menggunakan  sensor  soil moisture  FC-28.  Sensor  ini  terdiri  dari  dua probe untuk  melewatkan  arus  melalui  tanah  kemudian membaca  resistansinya  untuk  mendapatkan  tingkat  kelembapan.  Prinsip  kerja  sensor  ini  semakin banyak  air  membuat  tanah  lebih  mudah  menghantarkan  listrik  atau  nilai  resistansi  kecil  sedangkan tanah yang cenderung kering memiliki karakteristik sulit menghantarkan listrik atau nilai resistansinya
besar  atau  dengan  kata  lain  sensor  ini  mendeteksi  adanya  tingkat  kelembaban  pada  tanah.  Soil moisture sensor FC-28 memiliki spesifikasi sebagai berikut [12]

## Tabel 1. Spesifikasi sensor soil moisture F-28
Parameter Nilai Tegangan input 3.3V atau 5V Tegangan output 0-4.2V Arus 35mA Nilai ADC 1024 bit (0-1023 bit)

## Gambar 6. Soil moisture sensor F-28

## C. Sensor Humidity
Sensor humidity atau sensor suhu yang sering digunakan pada bidang pertanian salah satunya DHT11. Sensor ini dapat membaca suhu ruangan dan kelembapan udara dan terdiri dari serangkaian senor dan IC  kontroler  serta  memiliki  4  pin  atau  3  pin.  DHT11  memiliki  keluaran  berupa  sinyal  digital  yang telah terkalibrasi. Spesifikasi sensor DHT11 dapat dilihat pada tabel di bawah ini
Tabel 2. Spesifikasi sensor DHT11 Parameter Nilai Jangkauan pengukuran temperatur 0-50 0 C Jangkauan pengukuran kelembapan relatif 20-90% Catu daya 3-5V Keakuratan untuk kelembapan relatif ±4% Keakuratan untuk temperatur ±2 0 C
Gambar 7. Sensor DHT11

## V. J ARINGAN I O T A GRIKULTUR
Dalam beberapa penelitian yang telah dipelajari, jaringan IoT dibangun untuk bertanggung jawab dalam  membangun  komunikasi  antar  sensor-sensor,  service,  dan monitoring  system .  Pada  penelitian [13]  dipelajari  bahwa  data  yang  tergenerate  dari  sensor-sensor  sangat  besar  sementara  perangkat sensor tersebut hanya memiliki kemampuan menyimpan data sedikit jumlahnya. Sehingga diperlukan
integrasi sensor-sensor tersebut dengan server yang memiliki kapasitas pemrosesan dan penyimpanan data yang besar.
Protokol jaringan IoT terbagi dalam 2 kategori yaitu protokol data dan protokol jaringan. Protokol data yang banyak digunakan diantaranya Message Queueing Telemetry Transport (MQTT), Advance Message  Queueing  Protocol  (AMQP),  Constrained  Application  Protocol  (CoAP).  Protokol  jaringan diantaranya Bluetooth, Zigbee, Sigfox, LoRAWAN,

## VI. F RAMEWORK D ESIGN YANG DIAJUKAN UNTUK A GRICULTURE K AWASAN B ANDUNG B ARAT
Berdasarkan  survei  di  lokasi  penelitian  dan  identifikasi  kondisi  permasalahan  yang  terjadi  maka dilakukan  studi  literatur  dari  berbagai jurnal  terkait  dengan  sistem smart  agriculture sehingga  dapat dirancang framework design seperti gambar di bawah ini.
Gambar 8. Rancangan Framework yang diajukan
Pada lapisan persepsi ( sensing layer ) terbagi menjadi dua kategori yaitu sistem instrumentasi dan actuator.  Sistem  instrumentasi  sensor  LM35,  sensor  DHT11,  dan  sensor  soil  moisture  F-28  yang digunakan  untuk  membaca  informasi  terkait  kondisi  tanaman  di  lokasi  penelitian  sedangkan  sistem aktuator  akan  bekerja  ketika  user  atau  petani  memberikan  perintah  berdasarkan  data informasi  yang diperoleh dari sistem instrumentasi.
Lapisan jaringan ( network layer ) akan mentransformasikan data dari sensor menggunakan protocol data  MQTT  melalui  internet  menuju  RabitMQ  sebagai gateway. Terdapat node  service yang  akan menerima  data  dari  RabbitMQ  kemudian  menyimpan  pada database . Terakhir  pada  lapisan  aplikasi ( application  layer )  terdapat  sistem  pemantauan  dengan  perangkat  web  dan mobile  phone untuk menyajikan informasi bagi petani untuk mengambil tindakan terhadap kegiatan pertanian seperti dapat mengendalikan aktuator secara jarak jauh menggunakan aplikasi di perangkat.

## VII. K ESIMPULAN
Agrikultur  di  lokasi  penelitian  Kawasan  Bandung  Barat  dapat  dioptimalkan  dengan  menggunakan teknologi Internet  of  Things yang  dirancang  dengan framework yang  terdiri  dari  lapisan  persepsi, lapisan  jaringan  dan  lapisan  aplikasi.  Rancangan  ini  diharapkan  dapat  memudahkan  petani  dalam memonitoring  budidaya  pertanian  untuk  meningkatkan  produktifitas  hasil  panen  dan  mengatasi masalah yang terjadi.

## D AFTAR P USTAKA
[1] E.  Djuwendah;  E.  Renaldy;  H.  Hapsari,  “Analisis  Potensi  Ekonomi  dan  Pengarahan Pusat Pertumbuhan di Kabupaten Bandung Barat,” 2015.
[2] V.  P.  Kour  and  S.  Arora,  “Recent  Developments  of  the  Internet  of  Things  in Agriculture: A Survey,” IEEE Access , vol. 8, pp. 129924–129957, 2020.
[3] A. Anusha, A. Guptha, G. Sivanageswar Rao, and R. K. Tenali, “A model for smart agriculture using IOT,” Int.  J.  Innov.  Technol.  Explor.  Eng. ,  vol.  8,  no.  6,  pp.  1656– 1659, 2019.
[4] M.  B.  Ulum,  P.  Studi,  T.  Informatika,  F.  I.  Komputer,  U.  E.  Unggul,  and  J.  Barat, “DESAIN  INTERNET  OF  THINGS  (  IoT  )  UNTUK  OPTIMASI  PRODUKSI,”  pp. 69–73, 2016.
[5] J.  Zhao,  J.  Zhang,  Y.  Feng,  and  J.  Guo,  “The  Study  and  Application  of  the  lOT Technology in Agriculture,” pp. 462–465, 2010.
[6] S. R. Prathibha, A. Hongal, and M. P. Jyothi, “IOT BASED MONITORING SYSTEM IN SMART AGRICULTURE,” pp. 5–8, 2017.
[7] M. S. Farooq, S. Riaz, A. Abid, K. Abid, and M. A. Naeem, “A Survey on the Role of IoT in Agriculture for the Implementation of Smart Farming,” IEEE Access , vol. 7, pp. 156237–156271, 2019.
[8] T. Hidayat, “Internet of Things Smart Agriculture on ZigBee : A Systematic Review,” pp. 75–86.
[9] T.  U.  Pathan  and  S.  Chakole,  “Sensor  Based  Smart  Farming  and  Plant  Diseases Monitoring,” no. 2, pp. 442–446, 2019.
[10]  A.  Nayyar,  “Smart  Farming :  IoT  Based  Smart  Sensors  Agriculture  Stick  for  Live Temprature  and  Moisture  Monitoring  using  Arduino  ,  Cloud  Computing  &  Solar Technology.”
[11]  S.  Hadinata,  “Uji  Karakteristik  Sensor  Suhu  LM35  Pada  Bahan  Komposit  Sebagai Desain Awal Pembuatan Alat Pengukur Konduktivitas Panas,” 2016.
[12]  H.  Husdi  and  U.  I.  Gorontalo,  “MONITORING  KELEMBABAN  TANAH PERTANIAN  MENGGUNAKAN  SOIL  MONITORING  KELEMBABAN  TANAH
PERTANIAN  MENGGUNAKAN  SOIL  MOISTURE  SENSOR  FC-  28  DAN ARDUINO UNO,” no. September 2018, 2019.
[13]  A. Chaudhary, S. K. Peddoju, and K. Kadarla, “Study of Internet-of-Things Messaging Protocols used for Exchanging Data with External Sources,” 2017.