## Perancangan dan Realisasi Anemometer Digital untuk Aplikasi Sistem Peringatan Dini

## Muhammad Lahnan Mahar, Adnan Rafi Al Tahtawi, Sudrajat
Program Studi Teknik Komputer, Politeknik Sukabumi Jl. Babakan Sirna No. 25 Kota Sukabumi, Indonesia adnanrafi@polteksmi.ac.id

## Abstrak
Makalah  ini  menyajikan  perancangan  dan  realisasi  pendeteksi  kecepatan  angin  digital  yang  dikenal  dengan Anemometer  untuk  sistem peringatan dini di rumah.  Perangkat keras dirancang  menggunakan  mikrokontroler  sebagai perangkat utama yang berfungsi untuk menghitung kecepatan angin. Perangkat ini menggunakan sensor rotary encoder yang berfungsi mengukur kecepatan angin. Perangkat antarmuka yang digunakan yaitu dot matrix , indikator LED, dan buzzer .  Hasil  pengujian  menggunakan  kipas  angin  menunjukkan  Anemometer  digital  yang  dirancang  mampu mendeteksi kecepatan angin dengan baik dan memiliki kesalahan relatif sebesar 1,18% pada jarak 10 cm, 1,41% pada jarak 30 cm, 1,55% pada jarak 50 cm, dan 2,44% pada jarak 70 cm jika dibandingkan dengan Anemometer komersial. Hasil pengujian angin alami menunjukkan alat ini juga mampu mendeteksi kecepatan angin dengan rata-rata kesalahan relatif sebesar 21,21% dan 18,80% dibandingkan Anemometer BMKG pada dua hari berbeda. Nilai kesalahan relatif ini lebih besar jika dibandingkan dengan pengujian  menggunakan angin buatan. Hal ini terjadi karena  kondisi perubahan arah angin alami yang tiba-tiba tidak dapat terdeteksi alat ini. Namun demikian, perangkat ini berguna untuk peralatan rumah sebagai sistem peringatan dini.
Kata kunci: Anemometer, mikrokontroler, sistem peringatan dini, kecepatan angin

## Abstract
This  paper  presents  the  design  and  realization  of  digital  wind  speed  detector  known  Anemometer  for  home  early warning system. The hardware is designed using microcontroller as a main device that calculates the wind speed. This device  uses  rotary  encoder  that  measures  the  wind  speed.  Interface  devices  used  are  dot  matrix,  LED  indicator,  and buzzer. Testing result using fan shows that the digital Anemometer able to detect the wind speed properly with relative errors by 1.18% at distance 10 cm, 1.41% at distance  30 cm, 1.55% at distance 50 cm, and 2.44% at distance 70 cm when  compared  with  commercial  Anemometer.  Testing  result  using  natural  wind  shows  that  the  device  also  able  to detect wind speed with relative errors by 21.21% and 18.80% compared to  BMKG Anemometer in two different days. This  value  is  larger  if  compared  with  the  testing  using  artificial  wind.  This  is  due  to  the  change  of  wind  direction suddenly which cannot detected by this device. However, this device is useful for home appliance as an early warning system.
Keywords: Anemometer, microcontroller, early warning system, wind speed

## I. P ENDAHULUAN
Bencana  angin  puting  beliung  merupakan  salah satu  bencana  yang  sering  terjadi  di  Indonesia. Kondisi cuaca ekstrim akibat dari pemanasan global menjadi  salah  satu  penyebabnya.  Dengan  adanya kondisi tersebut, tidak banyak yang dapat dilakukan oleh  masyarakat  untuk  menangani  bencana  ini. Salah  satu  yang  dapat  dilakukan  yaitu  dengan memanfaatkan sistem peringatan dini bencana alam yang  terintegrasi  pada  rumah.  Dengan  adanya sistem ini diharapkan masyarakat dapat
mengantisipasi  akan  terjadinya  bencana  angin puting beliung. Selain itu, kondisi angin harian pun dapat diketahui dengan menggunakan sistem ini.
Anemometer  merupakan  sebuah  perangkat  yang dapat  mendeteksi  kecepatan  angin.  Perangkat  ini salah  satunya  digunakan  oleh  Badan  Meteorologi Klimatologi dan Geofisika (BMKG) untuk mendeteksi kecepatan angin. Kecepatan angin dapat diklasifikasikan  berdasarkan  Skala  Beaufort  [1] seperti disajikan pada Tabel 1. Anemometer  belum banyak  dimanfaatkan  oleh  masyarakat  untuk aplikasi  di  rumah.  Hal  ini  disebabkan  oleh  harga
yang  mahal  dan  kurangnya  tingkat  kebutuhan masyarakat  akan  alat  ini.  Oleh  karena  itu, diperlukan sistem yang mampu mengukur kecepatan  angin  dan    dapat  diaplikasikan  dengan mudah  di  rumah-rumah  sebagai  sistem  peringatan dini.
Beberapa  sistem  pendeteksi  kecepatan  angin telah  dibuat  sebelumnya.  Alat  ukur  kecepatan  dan arah  angin  telah  dirancang  berbasis  mikrokontroler Arduino Uno ATMega328p [2]. Sistem ini diuji dan dibandingkan  dengan  Anemometer  Constant  AN15 yang  terkalibrasi  dengan  hasil  rata-rata  kesalahan pengukuran 1,85%. Sistem ini hanya menggunakan Liquid  Crystal  Display (LCD)  saja  sebagai perangkat  antarmuka.    Selain  itu,  pendeteksi kecepatan  dan  arah  angin  berbasis  internet  [3]  dan Short  Message  Service (SMS)  [4]  juga  telah dirancang. Sistem tersebut memungkinkan pengguna  dapat  mengakses  kecepatan  dan  arah angin  dengan  mudah.  Sistem  lainnya  dirancang dengan  komunikasi wireless menggunakan  modul NRF24L01  dengan  kesalahan  terbesar  0,3% dibandingkan terhadap Anemometer Benetech GM- 816  [5].  Untuk  aplikasi  sistem  peringatan  dini, sistem  serupa  juga  telah  dirancang  dengan kesalahan  0,65  Knot  jika  dibandingkan  dengan Anemometer BMKG [6].
Berdasarkan  beberapa  penelitian  sebelumnya, pada  penelitian  ini  Anemometer  digital  berbasis mikrokontroler  Arduino  Uno  akan  dirancang  untuk aplikasi sistem peringatan dini di rumah. Sistem ini menggunakan  perangkat  antarmuka dot  matrix dengan  pergerakan running  text. Selain  itu,  sistem ini  dilengkapi  tiga  indikator  peringatan  dengan menggunakan LED dan buzzer.
Tabel 1. Klasifikasi kecepatan angin skala Beaufort
Skala Beaufort Kec. angin Jenis angin Knot m/s 0 0-1 0,0-0,2 Reda 1 1-3 0,3-0,5 Sepoi-sepoi 2 4-6 0,6-3,3 Lemah 3 7-10 3,4-5,4 Sedang 4 11-16 5,5-7,9 Tegang 5 17-21 8,0-10,7 Keras 6 22-27 10,8-13,8 Keras Sekali 7 28-33 13,9-17,1 Ribut 8 34-40 17,2-20,7 Ribut hebat 9 41-47 20,8-24,4 Badai 10 48-55 24,5-28,4 Badai hebat 11 56-63 28,5-32,6 Taifun 12 >64 >32,7 Taifun hebat

## II. R ANCANGAN S ISTEM
Perancangan  sistem  pendeteksi  kecepatan  angin terbagi  menjadi  tiga  bagian,  diantaranya  rancangan mekanik, elektrik, dan pemrograman. Diagram blok dari  sistem  yang  dirancang  tersaji  pada  Gambar  1. Diagram  blok  sistem  terdiri  dari  dua  bagian berdasarkan  tempat  penyimpanannya,  yaitu  luar ruangan  ( outdoor )  dan  dalam  ruangan  ( indoor ). Pada bagian luar ruangan, penampang angin ( rotary frame ) digunakan bersama dengan sensor optocoupler . Pada bagian dalam ruangan, mikrokontroler dan perangkat antarmuka ditempatkan serta dilengkapi catu daya. Bagian luar dan  dalam  ruangan  dihubungkan  menggunakan kabel.

## A. Rancangan Mekanik
Alat  pendeteksi  kecepatan  angin  dirancang dengan  menggunakan  bahan  akrilik  tebal  2  mm. Untuk rotary  frame dirancang  dalam  bentuk segitiga  sama  sisi  dengan  panjang  sisi  10  cm, sedangkan  penampang  angin  dirancang  dengan menggunakan  bahan  plastik  dari  3  buah  bola  tenis meja  yang  dibelah  dengan  diameter  4  cm.  Lebih jelasnya,  desain  alat  pendeteksi  dapat  dilihat  pada Gambar 2.
Gambar 1. Diagram blok sistem
Gambar 2. Rancangan mekanik: penampang angin (kiri), piringan celah (kanan)

## B. Rancangan Elektrik
Pada  bagian  ini  akan  diuraikan  desain  elektrik dari sistem. Sensor yang digunakan yaitu optocoupler yang  mendeteksi  putaran  piringan dengan  22  buah  celah.  Sensor  akan  mendeteksi berapa banyak celah yang terdeteksi ketika piringan berputar.  Sensor  ini  bekerja  dengan  menggunakan prinsip  optik.  Ketika  dioda  memancarkan  sinyal, maka phototransistor yang berada pada optocoupler akan  menghasilkan  logika  biner  “1”,  sebaliknya ketika sinyal tersebut terhalangi maka phototransistor akan  menghasilkan  logika  biner ”0”.  Mikrokontroler  yang  digunakan  yaitu ATMega328  pada  modul  Arduino  Uno  R3  dengan spesifikasi  kecepatan clock 16  MHz.  Modul  ini digunakan  karena  memiliki  spesifikasi  yang  sesuai dengan sistem yang dirancang. Modul Arduino Uno memiliki 14 pin digital I/O dan 6 pin analog input. Mikrokontroler  ini  juga  dilengkapi  fasilitas  PWM pada  6  pin  digital output dengan  resolusi  8  bit. Selain  itu,  mikrokontroler  ini  telah  dilengkapi  pula oleh  fasilitas Analog  to  Digital  Converter (ADC) dengan  resolusi  10  bit  yang  digunakan  untuk pembacaan  sensor  analog.  Pada  bagian output, digunakan dot  matrix 8x8  dengan  konfigurasi common  cathode yang  berfungsi  menampilkan kecepatan  angin  yang  terdeteksi  dengan  interaktif running  text. Sebagai  pengendalinya,  digunakan modul  IC  MAX7219.  Untuk  sistem  peringatan digunakan  LED  dan buzzer yang  diatur  dengan berdasarkan algoritma pada pemrograman.
Terakhir,  tiga  unit  baterai  Lithium-Ionium  (Li-Ion) dengan  tegangan  total  11,1V  digunakan  sebagai power  supply. Rancangan  keseluruhan  dari  sistem
elektrik  dapat  dilihat  pada  Gambar  3,  sedangkan koneksi pin dapat dilihat pada Tabel 2.

## C. Pemrograman
Pada  bagian  ini  akan  diuraikan  mengenai pemrograman  dan  cara  kerja  alat  yang  dirancang. Pemrograman  dilakukan  dengan  menggunakan perangkat  lunak  Arduino  IDE.  Perangkat  ini berfungsi  sebagai compiler dan  telah  terintegrasi dengan modul mikrokontroler. Bahasa pemrograman  yang  digunakan  yaitu  C/C++.  Untuk menghitung kecepatan angin, penulis menggunakan tiga  indikator  yaitu:  normal  (LED  hijau), warning (LED  kuning),  dan  bahaya  (LED  merah).  Untuk lebih  jelasnya,  algoritma  sistem  peringatan  yang dirancang dapat dilihat pada Gambar 4.
Perhitungan  kecepatan  angin  sendiri  dirancang dengan  menggunakan  rumus  kecepatan  putaran Rotation  per  Minute (RPM)  dari rotary  encoder berikut:
(1)
karena  jumlah  celah  yang  dirancang  sebanyak  22, maka diperoleh:
(2)
Dari persamaan tersebut, maka diperoleh kecepatan angin:
(3)
dengan adalah  kecepatan  angina  dalam  m/s,
adalah  konstanta ,  dan adalah  panjang  jari- jari penampang rotary frame.
Tabel 2. Koneksi pin pada mikrokontroler
PIN Terhubung 5V VCC Optocoupler 5V VCC Modul LED Dot Matrix 2 Output Optocoupler 8 (MOSI/DATA) DIN Modul LED Dot Matrix 9 PWM (LOAD/SS) CS Modul LED Dot Matrix 10 PWM CLK Modul LED Dot Matrix 7 Indikator (LED Merah & Buzzer ) 12 Indikator (LED Kuning & Buzzer ) 13 Indikator (LED Hijau)
Gambar 4. Diagram alir pemrograman

## III. R EALISASI DAN P ENGUJIAN
A. Realisasi
Anemometer yang dirancang selanjutnya direalisasikan  ke  dalam  bentuk  perangkat  keras. Sistem  mekanik  direalisasikan  untuk  mendeteksi kecepatan  angin,  sedangkan  sistem  elektrik  dan pemrograman  digunakan  sebagai  perangkat  antar muka.

## Gambar 5. Realisasi pendeteksi kecepatan angin

## Gambar 6. Realisasi antarmuka
Gambar  5  menunjukkan  sistem  mekanik  yang dipasang  pada  bagian  luar  rumah.  Sistem  ini dilengkapi dengan sensor yang mendeteksi putaran. Data  kecepatan  angin  dikirimkan  ke  perangkat antarmuka yang terpasang di dalam ruangan dengan menggunakan  kabel.  Gambar  6  menunjukkan perangkat  antarmuka  yang  direalisasikan.  Data kecepatan angin ditampilkan dalam bentuk running text pada dot  matrix. Dengan  konfigurasi  ini, perangkat antarmuka akan lebih menarik digunakan. Sistem  peringatan  dini  sendiri  direalisasikan menggunakan  indikator  LED  berwarna  dan buzzer. Sebagai  tambahan,  pada  bagian  bawah  dilengkapi koneksi power  supply dan  memungkinkan  untuk dilakukan pengisian ulang.
B. Pengujian Sensor
Sensor optocoupler diuji  untuk  memastikan dapat  bekerja  dengan  baik.  Pengujian  dilakukan untuk  mengetahui  hubungan  linieritas  antara kecepatan  putaran  RPM  dari penampang  angin  dan kecepatan  angin  sendiri  dalam  m/s.  Persamaan  (2) dan  (3)  digunakan  untuk  menghitung  kecepatan putaran  dan  kecepatan  angin.  Kedua  persamaan  ini direalisasikan  pada  bahasa  pemrograman  C/C++ yang ditanamkan di mikrokontroler.
Gambar 7. Linieritas kecepatan putaran dan kecepatan angin
Gambar 8. Hasil pengujian pada jarak 10 cm

## Gambar 9. Hasil pengujian pada jarak 30 cm
Hasil pengujian yang dapat dilihat pada Gambar 7  menunjukkan  hubungan  yang  linier  antara kecepatan putaran RPM dan kecepatan angin dalam m/s.  Dengan  demikian,  sensor  yang  digunakan mampu  mendeteksi  kecepatan  angin  sesuai  dengan kecepatan putaran penampang angin yang dihasilkan.  Semakin  cepat  putaran,  semakin  cepat pula kecepatan angin yang terdeteksi.

## C. Pengujian Alat
Terdapat  dua  tahapan  yang  dilakukan  untuk menguji  alat  yang  dirancang.  Tahap  pertama pengujian  dilakukan  dengan  menggunakan  kipas angin dengan jarak antara alat dan kipas angin yang diujikan yaitu 10 cm, 30 cm, 50 cm, dan 70 cm. Hal yang  sama  dilakukan  pula  pada  Anemometer komersial  sebagai  data  pembanding.  Besarnya kesalahan  relatif  (KR)  diperoleh  berdasarkan persamaan berikut:
Gambar 10. Hasil pengujian pada jarak 50 cm
Gambar 11. Hasil pengujian pada jarak 70 cm
| | (4) dimana kecepatan angin terdeteksi Anemometer  komersial  dan
adalah  kecepatan angin  terdeteksi  Anemometer  rancangan.  Data kecepatan  angin  yang  terdeteksi  dapat  dilihat  pada Gambar  8-Gambar  11.  Dari  keempat  gambar tersebut  diperoleh  hasil  bahwa  alat  yang  dirancang mampu  mendeteksi  kecepatan  angin  dengan kesalahan relatif rata-rata sebesar 1,18% pada jarak 10  cm,  1,41%  pada jarak  30  cm,  1,55%  pada jarak 50  cm,  dan  2,44%  pada  jarak  70  cm  jika dibandingkan dengan Anemometer komersial.
Pada  tahap  kedua,  pengujian  dilakukan  dengan menggunakan  angin  alami.  Pengujian  dilakukan  di BMKG  Masyarakat  Terpadu  RW  09  Kelurahan Karang Tengah Kota Sukabumi. Sebagai perbandingan,
Anemometer milik BMKG digunakan  juga  pada  pengujian  ini.  Pada  saat bersamaan, kecepatan angin terdeteksi Anemometer rancangan  dan  Anemometer  BMKG  diukur  dan diamati  perbedaannya.  Hasil  pengujian  yang dilakukan  selama  dua  hari  menunjukkan  bahwa Anemometer  rancangan  belum  mampu  mengukur kecepatan  angin  dengan  rata-rata  kesalahan  relatif 21,21% (Gambar 12) dan 18,80% (Gambar 13) jika dibandingkan  dengan  Anemometer  BMKG.  Nilai ini  diperoleh  dari  rata-rata  kesalahan  relatif  tanpa menghitung  kondisi  ketika  Anemometer  rancangan mendeteksi  kecepatan  nol  (ditandai  garis  merah putus-putus  pada  gambar).  Nilai  kesalahan  relatif yang  diperoleh  lebih  besar  jika  dibandingkan
dengan  pengujian  menggunakan  kipas  angin.  Hal ini  terjadi  karena  kondisi  perubahan  arah  angin alami yang tiba-tiba tidak dapat terdeteksi oleh alat ini,  sedangkan  Anemometer  BMKG  mampu menangani  kondisi  tersebut.  Selain  itu,  desain mekanik dari penampang angin yang dirancang juga dapat mempengaruhi kondisi ini. Desain yang ideal dan  massa  yang  lebih  ringan  akan  mampu meningkatkan  sensitivitas  terhadap  perubahan kecepatan  dan  arah  angin  yang  tiba-tiba  dapat terjadi. Walaupun demikian, hal ini tidak berdampak signifikan untuk sistem peringatan dini. Desain antarmuka dengan menggunakan dot matrix running  text juga  dapat  menampilkan  kecepatan angin secara interaktif.
Gambar 12. Hasil pengujian pada tanggal 3 Desember 2016
Gambar 13. Hasil pengujian pada tanggal 4 Desember 2016

## IV. K ESIMPULAN
Alat  pendeteksi  kecepatan  angin  atau  dikenal dengan  nama  Anemometer  dengan  antarmuka running  text untuk  sistem  peringatan  dini  telah berhasil  dirancang  dan  dibuat.  Hasil  pengujian  alat ini  menggunakan  angin  buatan  diperoleh  rata-rata kesalahan  relatif  sebesar  1,18%  pada  jarak  10  cm, 1,41% pada jarak  30  cm,  1,55% pada jarak  50  cm, dan  2,44%  pada  jarak  70  cm  jika  dibandingkan dengan  Anemometer  komersial.  Hasil  pengujian angin  alami  menunjukkan  alat  ini  mampu mendeteksi  kecepatan  angin  dengan  rata-rata kesalahan  relatif  sebesar  21,21%  dan  18,80% dibandingkan  Anemometer  BMKG  pada  dua  hari berbeda.  Nilai  kesalahan  relatif  ini  lebih  besar  jika dibandingkan  dengan  pengujian  menggunakan angin  buatan.  Hal  ini  terjadi  karena  kondisi perubahan  arah  angin  alami  yang  tiba-tiba  tidak dapat terdeteksi alat ini.

## R EFERENSI
[1]  Kent  E.C.,  P.K.  Taylor,  “Choice  of  a  Beaufort Scale”, Journal  of  Atmospheric  and  Oceanic Technology, Vol. 14 No. 2, 1997
[2]  Dewi  W.,  dkk,  “Rancang  Bangun  Alat  Ukur Kecepatan  Angin  Berbasis  Arduino  Uno  ATMega 328P”, Jurnal Inovasi Fisika Indonesia , Vol. 04 No. 03, hal. 150-156, 2015
[3]  Aswir  P.,  Andi  M.,  “Perancangan  Anemometer Berbasis Internet”, Jurnal Teknik Elektro ITP , Vol. 3 No. 1, Januari 2014
[4]  Ari  W.,  “Rancang  Bangun  Sistem  Monitoring
Kecepatan dan Arah Angin Berbasis Mikrokontroler  AT89S51  Melalui  Layanan  SMS”, Tugas  Akhir  Diploma  Universitas  Diponegoro, 2008
[5]  Oktavian  D.,  “Rancang  Bangun  Alat  Monitoring Kecepatan  Angin  Dengan  Koneksi  Wireless Menggunakan  Arduino  Uno”, E-Jurnal  Teknik Elektro dan Komputer Vol. 5 No. 4, 2016
[6]  Alvon  M.,  “Purwarupa  Sistem  Peringatan  Dini Bencana  Alam  Angin  Puting  Beliung  Berdasarkan Kecepatan  Angin  Berbasis  Jaringan  Kabel”, Tugas Akhir Diploma Universitas Gadjah Mada, 2014