## Triple Modular Redundancy untuk Meningkatkan Kualitas Pengukuran Parameter Meteorologi
David Yulizar, Hariyanto, Bowo Prakoso
Program Studi Instrumentasi Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika Jln. Perhubungan I No. 5 Komplek Meteu Dephub, Banten 15221 INDONESIA
david.yulisar@bmkg.go.id
Abstrak — Teknik Triple Modular Redundancy (TMR) diimplementasikan dalam sistem pengukuran parameter meteorologi. Perangkat pengukuran direkayasa dengan  menerapkan metode TMR yang mengusung konsep voting untuk pengukuran suhu dan kelembapan. Setiap modul pengukuran parameter terdiri dari tiga sensor yang dirangkai sesuai konsep 2oo3 ( two-out-of-three ). Dengan teknik ini, kualitas  pengukuran  menjadi lebih baik dalam  hal  kontinuitas dan  akurasi. Diketahui  dalam  proses  pengujian  kalibrasi perangkat yang telah  direkayasa dengan  TMR, hasil pengukuran  kelembapan  menunjukkan  akurasi yang baik dengan  nilai rata-rata  koreksi 0,26%, demikian juga dengan keakurasian pengukuran suhu yang memiliki nilai rata-rata koreksi 0,04 ° C. Continuity perolehan data pengukuran  selama  periode  pengujian  mencapai  100%,  hal  ini  dikarenakan  dengan  TMR  memungkinkan  pengukuran  tetap menghasilkan  data  meskipun  ada  salah  satu  sensor  yang  mengalami  kegagalan  ( failure ).  Unit  pemrosesan  pada  perangkat menggunakan mikrokontroler ATMega 2560, dilengkapi dengan fault warning dengan sms gateway memungkinkan adanya informasi dini gangguan terhadap sensor.
Kata kunci — Triple Modular Redundancy, 2oo3, voting, akurasi, kontinuitas, pengukuran suhu dan kelembapan .
Abstract — Triple  Modular  Redundancy  (TMR)  Technique  is  implemented  to  the measurement  system of meteorological parameters . The measurement instrument is engineered by applying TMR with concept of voting for the measurement of temperature and humidity. For each parameter  measurement  module  consists  of  three  sensors  that  are  arranged  according  to  the  concept  of  2oo3  (two-out-of-three).  This technique allows the quality of measurements to be better in terms of continuity and accuracy. Known in the testing process of calibration device has been engineered with TMR, humidity measurement results indicate good accuracy with the average value of a correction 0.26%, as well as to the accuracy of temperature measurement has an average value correction 0.04 ° C. Continuity acquisition of measurement data during the test period reached 100%, this is due to the TMR enables measurement still produce data even if there is a sensor failure. The processing unit on the device using a microcontroller ATMega 2560, equipped with a fault warning by sms gateway allows the early notification of sensor failure.
. Keywords — Triple Modular Redundancy, 2oo3, voting, accuracy, continuity, temperature and humidity measurement .

## I. P ENDAHULUAN
Penggunaan TMR untuk meningkatkan reliabilitas komputer  dijelaskan  oleh  R.E.  Lyon  dan  W. Vanderluk  (1962),  menunjukkan  bahwa  kegagalan komponen  secara  bergantian  tidak  mengakibatkan kegagalan sistem dengan TMR[11].
Penelitian  Noor  Cholis  Basjaruddin  (2009) menunjukkan  bahwa  rangkaian  sensor  yang mengadopsi  konsep  redundant  memiliki  tingkat keandalan  yang  lebih  baik  dibandingkan  dengan sensor non-redundant[4].
Meskipun  telah  lama  diperkenalkan  di  dunia industri,  namun  penerapan  TMR  untuk  observasi meteorologi  di  Indonesia  belum  dikenal  secara umum. Pada umumnya kegiatan observasi terhadap parameter meteorologi masih memanfaatkan pengukuran  sensor  tunggal.  Penggunaan  sensor
tunggal  berisiko  pada  penurunan  kualitas  data pengukuran  seiring  waktu  operasional  perangkat. Kerusakan  atau  gangguan  pada  sensor  berakibat pada hasil pengukuran yang tidak akurat dan bahkan berhentinya proses observasi akibat sensor mati.
Penelitian  ini  bertujuan  menghasilkan  sebuah perangkat pengukuran meteorologi yang menerapkan teknik TMR untuk menjaga kontinuitas dan akurasi data pengukuran tetap terjaga baik.
Agar  lebih  fokus  pada  analisis  keandalan  TMR untuk sensor observasi meteorologi, pada penelitian ini  dibatasi  jumlah  parameter  yang  diukur  ada  dua yaitu suhu dan kelembapan.

## II. M ETODOLOGI P ENELITIAN
Perekayasaan  perangkat  pengukuran  suhu  dan kelembapan terbagi dalam tiga modul. Modul input terdiri  dari  rangkaian  tiga  unit  sensor  suhu  dan kelembapan  (DHT22)  dan  satu  RTC  ( Real  Time Clock ). Modul
pemrosesan
terdiri
dari mikrokontroller  ATMega2560  dan  I2C.  Modul output terdiri dari LCD display 20x4, SD card, dan GPRS/GSM modem shield .
Sensor  DHT22  berfungsi  sebagai  unit  pengukur suhu dan kelembapan. Rangkaian tiga sensor DHT22 terhubung dengan mikrokontroler arduino ATMega 2560  untuk  memproses  nilai  keluaran  dari  ketiga sensor  tersebut  dengan  menerapkan  konsep  voting 2oo3 TMR. Logika voting ditunjukkan dalam Tabel I.
T ABEL I A TURAN V OTING K ELUARAN S ENSOR
Kondisi Nilai Input Logic Confidence Level Unit Sensor Keluaran Sensor Terpilih θ X θ Y θ Z
X=Y && Y=Z 1 1 1 X /Y/Z X=Y && Y!=Z 1 1 0 X /Y X=Z && X!=Y 1 0 1 X /Z Y=Z && X!=Y 0 1 1 Y /Z X!=Y!=Z 0 0 0 Tidak ada nilai ( Warning )
Data  pengukuran  yang  digunakan  apabila setidaknya ada dua sensor yang menghasilkan nilai pengukuran yang sama atau nyaris sama dalam batas deviasi  yang dapat  diterima.  Apabila nilai  keluaran dari  ketiga  sensor  tersebut  berselisih  melampaui ambang  batas  yang  ditentukan,  maka  tidak  ada satupun  nilai  yang  digunakan  sebagai  keluaran sistem  melainkan  mikrokontroler  akan  memicu pesan kegagalan pada antarmuka  pengguna melalui display LCD dan sms.
Ambang  batas  deviasi  yang  digunakan  merujuk pada standar yang ditetapkan World Meteorological Organization (Dokumen WMO 8), dimana ambang batas  deviasi  untuk  suhu  ( 𝛿 𝑇 )  adalah  0,2 °C  dan untuk kelembapan relatif ( 𝛿 𝑅𝐻 ) adalah 5%.
Perakitan  hardware  mengikuti  skema  diagram blok pada Gambar 1.

## Gambar 1.  Diagram Blok Sistem Pengukuran
Aturan  voting  dan  batasan-batasan  yang  telah ditetapkan  dituangkan  dalam  kode  pemrograman mikrokontroler.  Keseluruhan  sistem  pengukuran pada  perangkat  TMR  ini  bekerja  dengan  perintah yang  dioperasikan  dari  mikrokontroler  Arduino dengan bahasa C.
Alur  kerja  sistem  pengukuran  dengan  TMR ditampilkan dalam diagram alir pada Gambar 2.

## Gambar 2.  Diagram Alir Sistem
Pada  tahap  pengumpulan  input,  masing-masing sensor  mengukur  parameter  suhu  dan  kelembapan secara independen sebagaimana cara kerja
pengukuran  dengan  sensor  tunggal.  Setiap  sensor menghasilkan  nilai  pengukurannya  masing-masing tanpa  pengaruh  dari  sensor  lainnya.  Nilai pengukuran dari ketiga sensor X,Y dan Z kemudian diolah  oleh  mikrokontroler.  Setiap  nilai  hasil pengukuran  masing-masing  sensor  dibandingkan satu  dengan  lainnya,  nilai  pengukuran  dianggap sama apabila memiliki selisih tidak melebihi ambang batas  maksimum  deviasi  yang  telah  didefinisikan pada  tahap  inisiasi.  Aturan voting 2oo3  diterapkan dimana nilai final pengukuran merupakan nilai yang dihasilkan  setidaknya  oleh  dua  dari  tiga  sensor DHT22  dalam  rangkaian.  Apabila  ketiga  nilai pengukuran terpaut selisih melampaui 𝛿 𝑇 untuk suhu dan 𝛿 𝑅𝐻 untuk kelembapan, dalam hal ini ketiganya didefinisikan memiliki logic confidence level rendah, θ =  0 ,  maka  nilai  pengukuran  tersebut  tidak  dapat diterima sehingga hasil pengukuran tidak digunakan.
Sistem memonitor hasil
voting
secara berkelanjutan,  sehingga  untuk  sensor  yang  selama rentang  waktu  tertentu  (30  menit)  pada  periode pengukuran  selalu  menghasilkan  nilai  pengukuran dengan θ = 0, maka sensor tersebut dianggap sebagai suspect  sensor  bermasalah,  sehingga  sistem  secara otomatis melaporkan hal tersebut melalui sms.
Nilai  pengukuran  setiap  sensor  dan  nilai pengukuran final hasil voting ditampilkan pada layar LCD sebagai antarmuka perangkat dengan pengguna. Keseluruhan  aktivitas  sistem  selama  periode pengukuran  direkam  dan  tersimpan  dalam  sebuah media  penyimpanan  data  berupa  SD Card .  Nilai pengukuran  masing-masing  sensor  sebelum  proses voting dan keluaran final hasil voting tersimpan pada media tersebut dalam file .txt. Hal ini memungkinkan  analisis  dan  evaluasi  operasional perangkat pengukuran secara periodik.

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN
Perangkat  yang  berhasil  dirakit  dalam  penelitian ini tampak pada Gambar 2.
Gambar 2.  Perangkat pengukuran suhu dan kelembapan dengan TMR

## Gambar 3.  Tampilan LCD

## A. Pengujian Kalibrasi
Pengujian  dilakukan  dengan  membandingkan hasil  keluaran  perangkat  rekayasa  dengan  hasil pengukuran  alat  standar  di  laboratorium  kalibrasi Balai Besar Wilayah II BMKG, Ciputat.
Pengujian  kalibrasi  pertama  dilakukan  untuk menguji  keakuratan  pengukuran  sensor  secara independen.  Dalam  hal  ini  nilai  pengukuran  sensor X,  Y  dan  Z  masing-masing  dibandingkan  dengan hasil pengukuran alat standar.
Uji kalibrasi terhadap sensor X menunjukkan hasil yang  baik  dengan  nilai  maksimum  koreksi  sebesar 0.12 °C  untuk  pengukuran  suhu  dan  0,52  %  untuk pengukuran kelembapan relatif.

## Gambar 5.  Kalibrasi Sensor Y (Suhu & Kelembapan)
Uji kalibrasi terhadap sensor Y menunjukkan hasil yang  baik  dengan  nilai  maksimum  koreksi  sebesar rata-rata koreksi sebesar 0,121 °C untuk pengukuran suhu  dan  1,83  %  untuk  pengukuran  kelembapan relatif.

## Gambar 6.  Kalibrasi Sensor Z (Suhu)
Uji kalibrasi terhadap sensor Z menunjukkan hasil yang  baik  dengan  nilai  maksimum  koreksi  sebesar rata-rata koreksi sebesar 0,145 °C untuk pengukuran
suhu  dan  1,28  %  untuk  pengukuran  kelembapan relatif.
Hasil  uji  kalibrasi  terhadap  sensor  X,  Y  dan  Z secara  independen  menunjukkan  hasil  yang  baik. Secara  keseluruhan  nilai  koreksi  jauh  di  bawah ambang  batas  maksimum  deviasi  yang  diijinkan WMO.
Pengujian  kalibrasi  tahap  ke  dua  dilakukan terhadap rangkaian perangkat TMR sebanyak 20 kali uji  terbagi  dalam  lima  level set  point .  Resume kalibrasi ditampilkan pada Tabel II dan Tabel III.
T ABEL II P ENGUJIAN K ALIBRASI P ERANGKAT P ENGUKURAN S UHU Set Point ( °C) Alat Standar ( °C) Perangkat TMR ( °C) Koreksi ( °C) 15 15,82 15,80 0,02 15,80 15,80 0,04 15,80 15,80 0,02 15,70 15,70 0,05 20 19,78 19,70 0,08 19,82 19,80 0,02 19,78 19,80 0,02 19,79 19,80 0,02 25 24,83 24,90 0,07 24,81 24,80 0,01 24,80 24,80 0,00 24,84 24,90 0,06 30 29,60 29,60 0,00 30,01 30,00 0,01 30,01 30,10 0,09 30,02 30,10 0,09 35 34,92 34,90 0,02 34,86 34,80 0,06 34,91 34,90 0,01 34,92 34,90 0,02 T ABEL III P ENGUJIAN K ALIBRASI P ERANGKAT P ENGUKURAN K ELEMBAPAN Set Point ( %) Alat Standar ( %) Perangkat TMR ( %) Koreksi ( %) 40 40,22 39,59 0,63 40,98 40,80 0,18 41,03 40,80 0,23 40,88 40,80 0,08 50 51,87 51,69 0,18 51,74 51,69 0,05 51,70 51,41 0,29 51,40 51,41 0,01 60 60,98 60,71 0,27 61,07 61,62 0,55 61,15 61,11 0,04 61,20 61,21 0,01 70 70,74 71,07 0,33 70,72 71,13 0,41 70,67 71,02 0,35 70,95 71,32 0,37 80 81,56 81,29 0,27 81,04 81,23 0,19 80,93 81,22 0,29 80,75 81,26 0,51
Hasil  pengujian  kalibrasi  terhadap  rangkaian perangkat  TMR  membuktikan  bahwa  perangkat yang  direkayasa  memiliki  kemampuan  operasional dengan tingkat akurasi hasil pengukuran yang baik. Pada  pengukuran  suhu  didapatkan  nilai  koreksi minimum  sebesar  0 °C,  koreksi  maksimum mencapai 0,09 °C dan rata-rata koreksi 0,04 °C. Pada pengkuran  kelembapan,  nilai  koreksi  minimum sebesar  0,01%,  nilai  koreksi  maksimum  mencapai 0,63% dan rata-rata koreksi 0,26%.

## B. Pengujian Kegagalan Sensor
Dilakukan simulasi kegagalan sensor yang secara bergantian  kegagalan  pada  masing-masing  sensor. Kegagalan  dimaksud  adalah  ketika  nilai  salah  satu sensor memiliki selisih melampaui ambang batas 𝛿 𝑇 maupun 𝛿 𝑅𝐻 terhadap sensor lainnya.
T ABEL IV R ESUME S IMULASI K EGAGALAN P ENGUKURAN S UHU Jam Observasi Sensor Gagal Nilai Pengukuran Suhu ( °C) Keluaran Akhir ( °C) X Y Z 19:30 X 32,40 31,30 31,30 31,30 10:00 Y 30,10 30,60 30,10 30,10 12:30 Z 33,30 33,30 33,60 33,30 T ABEL V
R ESUME S IMULASI K EGAGALAN P ENGUKURAN K ELEMBAPAN Jam Observasi Sensor Gagal Nilai Pengukuran Kelembapan (% ) Keluaran Akhir ( %) X Y Z 00:00 X 83,10 86,30 86,30 86,30 10:00 Y 70,60 72,00 70,60 70,60 20:00 Z 78,30 79,01 67,00 78,30
Hasil  uji  ini  membuktikan  bahwa  perangkat dengan  TMR  lebih  menjamin  akurasi  dan kontinuitas data observasi. Bahkan apabila salah satu sensor  tidak  menghasilkan  keluaran  dikarenakan kerusakan, perangkat TMR tetap akan menghasilkan data  pengukuran  berdasarkan  nilai  keluaran  kedua sensor dengan syarat kedua sensor tersebut memiliki nilai dengan selisih di bawah ambang batas deviasi standar.

## IV. K ESIMPULAN
Penggunaan metode Triple Modular Redundancy pada  perangkat  observasi  meteorologi  dapat meningkatkan tingkat kepercayaan terhadap kualitas
data pengukuran. Kegagalan satu sensor tidak akan menghambat  aktivitas  observasi  sehingga  dapat dikatakan perangkat TMR lebih reliable dibandingkan  dengan  penggunaan  sensor  tunggal, dimana risiko kegagalan pengukuran dengan sensor tunggal  akan  lebih  tinggi  dibadingkan  dengan rangkaian sensor TMR.
Pada  pengembangan  berikutnya  dapat  dilakukan rekayasa TMR dengan memberikan bobot kepercayaan  untuk  setiap  sensor  dalam  rangkaian. Perolehan  bobot  hendaknya  adaptif  menyesuaiakan kondisi sensor selama periode pengukuran, semakin sering  suatu  sensor  mengalami  kegagalan  maka bobot  kepercayaannya  akan  menurun.  Dengan demikian  proses  voting  akan  menghasilkan  data pengukuran yang lebih akurat.
Penambahan dua sensor back-up dalam rangkaian juga  dapat  dipertimbangkan  untuk  pengembangan berikutnya.  Dengan  demikian  rangkaian  perangkat pengukuran  akan  terdiri  dari  lima  sensor,  dimana tiga  sensor  aktif  dan  dua  sensor stand-by .  Dalam rangkaian  ini  diperlukan  kontrol  On/Off  otomatis untuk mengaktifkan sensor-sensor dalam rangkaian. Kriteria On/Off dapat merujuk pada status kegagalan sensor ataupun dengan timer untuk memeperpanjang lifetime pengukuran.

## R EFERENSI
[1] Akbar, Abdul. 2015. Alat Untuk Memonitoring Suhu Dan Kelembaban Ruangan  Radar  Serta  Sistem  Warning  Keamanan  Ruangan  Radar Menggunakan  SMS. Sekolah  Tinggi  Meteorologi  Klimatologi  dan Geofisika. Jakarta.
[2] Andoni,  Sandi.  2015.  Alat  Pengukur  Suhu,  Kelembaban  Relatif,  Dan Tekanan  Udara  Digital  .  Sekolah  Tinggi  Meteorologi  Klimatologi  dan Geofisika. Jakarta.
[3] Apriaskar,  Esa.  2012.  Aplikasi  Redundant  System  Pada  Prototype Sistem Penyaluran Tenaga Listrik Dengan Gangguan Pada Gardu Induk Penaik Tegangan Dan Bagian Pembebanan Menggunakan PLC Omron CPM1A-40 CDT-DV1. Universitas Diponegoro. Semarang.
[4] Basjaruddin,  Noor  Cholis.  2009.  Redundant  Capasitive  Sensor  Untuk Pendeteksi Gelembung Udara Fault Tolerance.  Jurusan Teknik Elektro Negeri Bandung. Bandung.
[5] Chen, Ling-Jyh. Gerla, Mario. Han, Chih-Chieh. Sun,Tony. Improving Data Reliability via Exploiting Redundancy in Sensor Networks. UCLA Computer Science Department. Los Angeles.
[6] Djenal,  Dyah  Prihartini.  2015.  Sistem  Monitoring  Intensitas  Radiasi Matahari.  Sekolah  Tinggi  Meteorologi  Klimatologi  dan  Geofisika. Jakarta.
[7] Habinc,  Sandi.  2002.  Functional  Triple  Modular  Redundancy.Gaisler Research. Swedia.
[8] Moubray,  John.  1997.  “Reliability  Centered  Maintenance”.  Second Edition, Penerbit Industrial Press Inc, New York.
[9] Purba,  Andry  Boy  Prima.  2015.  Studi  Awal  Perancangan  Dan Pembuatan  Alat  Pengukur  Suhu  Kelembaban  Dan  Tekanan  Udara Berbasis  Mikrokontroler  ATMEGA32.  Sekolah  Tinggi  Meteorologi Klimatologi dan Geofisika. Jakarta.
[10] Ridwan, Muhammad. 2015. Alat Pengukur Durasi Penyinaran Matahari Digital  Dengan  Pendeteksi  Pergerakan  Matahari.  Sekolah  Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika. Jakarta.
[11] R.E.  Lyons  and  W.  Vanderkulk  (1962).  The  Use  of  Triple-Modular Redundancy to Improve Computer Reliability, IBM Journal, April 1962, pp200-209.
[12] World  Meteorogical  Organization.2008.Guide  to  Meteorogical Instruments dan Methods of Observation,Seventh Edition,Geneva.
[13] http://www.th-friedrichs.de/en/products/test-and-calibration/test-and- calibration/pressure-chamber (diakses tanggal 19 Maret 2016)
[14] http://www.directindustry.com/prod/votsch-industrietechnik/product- 16219-424302.html (diakses tanggal 19 Maret 2016)
[15] https://www.sparkfun.com/datasheets/Sensors/Temperature/DHT22.pd f (diakses tanggal 13 Mei 2016)