Triple Modular Redundancy Dengan Power Switching
Otomatis Pada Sistem Pengukuran Suhu Dan Kelembapan
Merinda Syukurilla 1 , Hariyanto 2 , Bowo Prakoso 3 1,2 Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Jakarta
3 Badan Meteorologi Klimatologi dan Geofisika, Jakarta
1 memerila.16@gmail.com, 2 hariyanto@stmkg.ac.id, 3 prakosonic@gmail.com
Abstrak — Pengamatan suhu dan kelembapan saat ini pada umumnya menggunakan sistem pengamatan tunggal, yaitu satu paramater cuaca hanya diamati/diukur oleh satu alat ukur saja, apabila alat ukur mengalami kegagalan fungsi maka alat ukur tidak dapat  menghasilkan data. Penelitian ini menggunakan lima sensor suhu dan kelembapan DHT22 yang dihubungkan ke mikrokontroler ATMega2560 untuk pemrosesan lanjutan. Data yang telah diolah kemudian ditampilkan pada LCD dan PC dan disimpan di mikroSD. Power switching berjalan secara otomatis berdasarkan waktu yang merujuk pada tanda waktu RTC. Algoritma Triple Modular Redundancy (TMR) menggunakan teknik majority vote , dimana teknik ini akan memilih minimal dua nilai keluaran sensor yang sama, jika nilai keluaran tidak ada yang sama, maka dicari nilai keluaran sensor mempunyai nilai selisih yang paling kecil. Hasil dari  pengembangan sistem pengukuran suhu dan kelembapan menggunakan metode TMR jika salah satu sensor gagal, maka sistem masih dapat menghasilkan nilai keluaran dari dua buah sensor yang masih baik. Kata Kunci : Suhu, Kelembapan, Triple Modular Redundant, Majority Vote
Abstract — Observation of temperature and humidity is currently using a single observation system, i.e. one weather parameter is measured by a  single  sensor;  consequently,  failure  of  a  single  sensor  is  often  leads  to  data  loss.    Integrating  multi-sensors  in  a  measurement  system  is proposed as this  study uses five DHT22 temperature and humidity sensors which are connected to microcontroller ATMega2560 for advanced processing, Processed data will be displayed on  LCD and PC and also stored in installed micro SD card. Automatic Power Switching uses RTC as a timer tool, hence the system can switch power periodically Triple Modular Redundant measurement system uses majority vote, which will select at least two sensor outputs  with the same value or almost the same. The design of temperature and humidity measurement system using TMR method is ensuring the continuity of measurement activity; if one of  three sensors is failed, then the system can still picks measured values  from two active sensors
Keyword : Temperatur, Humidity, Triple Modular Redundant, majority vote

## I. PENDAHULUAN
Pengamatan  suhu  dan  kelembapan  pada  umumnya  saat  ini masih  menggunakan  metode  pengukuran  dengan  sensor tunggal,  yaitu  satu  paramater  cuaca  hanya  diamati/diukur oleh satu alat ukur saja, kelemahan dari metode ini ialah jika alat  ukur  mengalami  kegagalan  fungsi  maka  sistem pengukuran tidak dapat menghasilkan data.
Penelitian  ini  bertujuan  membangun  sistem  yang dapat  menghasilkan  kualitas  data  yang  baik  dibanding sistem  pengamatan  tunggal  dengan      mengembangkan sistem pengukuran suhu dan kelembapan udara menggunakan  sensor  DHT22  dan  ATMega2560  sebagai mikrokontroler.  Metode  yang  digunakan  adalah Triple Modular  Redundancy  (TMR) dengan  dilengkapi switching daya  otomatis agar  dapat  meminimalisir  kegagalan fungsi dari  sistem  pengukuran  dengan  sensor  tunggal. Fault tolerance diterapkan  dengan redundancy perangkat  keras yaitu  me-replikasi  modul,  jika  terdapat  satu  sensor  rusak maka  terdapat  sensor  lain  yang  masih  bisa  melakukan pengukuran  (Isermann,  2006).  Modul  yang  tidak  dapat memberikan hasil baik dikarenakan kegagalan fungsi, maka modul  tersebut  tidak  perlu  melakukan  eksekusi  untuk menghasilkan  output  sama  sekali  (Norvag,  2000).  Dengan metode  ini,  kontinuitas  pengukuran  menjadi  lebih  baik. Namun  demikian,  peningkatan  keandalan  alat  pengukuran merupakan dampak kecil dari penguatan reliabilitas system, sedangkan  yang  lebih  utama  adalah  kemampuan  recovery dari  kegagalan  melalui fault  tolerant  system dengan  yang dimungkinkan dengan redundancy (Rohr A, 2003).

## II. METODE PENELITIAN
2.1 Teori Dasar Prinsip dasar Triple Modular Redundancy (TMR) adalah melipattigakan hardware dan menambahkan sebuah voter di posisi output (Hentschke, R., dkk. 2002).
TMR  menggunakan  tiga  modul  yang  sama,  bekerja bersamaan,  dan  mendapatkan  sinyal  masukan  yang  sama untuk  mewujudkan  sistem fault  tolerant .  Keluaran  modul TMR dipilih dengan teknik voting dari tiga keluaran modul. Voter merupakan bagian pemilih dari ketiga keluaran modul yang kemudian diproses pada tahap berikutnya, seperti pada Gambar 1 Blok diagram TMR (Basjarudin, 2009).
Gambar 1 . Blok Diagram TMR Teknik Voting yang digunakan dalam TMR
antara lain:
a. Majority vote : Nilai output sensor  yang dipilih adalah minimal
dari 2 nilai ouput sensor yang sama.
Jika satu sensor tidak berfungsi maka output sensor yang dipilih didasarkan pada dua output sensor yang lain.
b. Mid-value vote : Nilai output sensor yang dipilih adalah nilai output sensor yang nilainya merupakan nilai
tengah (median ). c. Mean value vote : Nilai
output
sensor yang dipilih adalah nilai rata- rata  dari  nilai output masing-masing sensor.
TMR  dipilih  karena  memiliki  keandalan  tinggi  untuk mendeteksi  kerusakan  perangkat  baik  yang  bersifat insidental,  sementara,  maupun  gangguan  fungsional termasuk kerusakan total suatu perangkat. (Habinc, 2002)

## 2.2  Alat dan Bahan
Alat dan bahan yang digunakan sebagai berikut:
a.  Modul sensor DHT22 sebagai sensor pengukur suhu dan kelembaban.
b.  Mikrokontroler ATMega2560 sebagai pemroses
keluaran data sensor
c. LCD dan I2C sebagai penampil keluaran data.
d. Modul RTC sebagai penanda waktu real time otomatis.
e. Modul MikroSD sebagai penyimpan data.
f. Software Visual Basic sebagai interface pada PC

## 2.3 Perancangan Sistem
Blok diagram perancangan sistem secara keseluruhan ditunjukkan di Gambar 2.
Gambar 2. Blok Diagram Sistem
Lima  sensor  suhu  dan  kelembaban  DHT22  sebagai inputan. Kelima sensor suhu dan kelembapan dihubungkan ke  mikrokontroler  ATMega2560  melalui  kabel.  Data keluaran  dari  sensor  akan  diproses  dan  diolah  di  dalam mikrokontroler  ATMega2560. Data  yang telah diolah oleh mikrokontroler  ATMega2560  ditampilkan  pada  LCD  dan PC  melalui  kabel  USB.  Hasil  pengukuran  disimpan  di mikroSD card sebagai back  up data  dalam  format .txt  . Sistem  ini  juga  dilengkapi  dengan  RTC  sebagai  penanda waktu real time otomatis.
Diagram  alir  sistem  menjelaskan  mulai  dari  proses inisialisasi sensor DHT22, RTC, SDcard, proses pengecekan sensor,  sampai  proses  algoritma  TMR  dapat  dilihat  pada Gambar 3.
Gambar 3 . Diagram Alir
Proses pergantian aktif dan mati sensor ketika kondisi 5 sensor aktif diatur sesuai pada Tabel 1.
Tabel 1 . Kondisi 5 Sensor Hidup
Sensor 1 2 3 4 5 Minggu I On On On Off Off II Off On On On Off III Off Off On On On IV On Off Off On On V, dst On On Off Off On
Kondisi jika jumlah sensor  yang  hidup 5 sensor dapat ditunjukkan  pada  Tabel  1.  Kondisi  sensor  berubah  setiap seminggu  sekali.  Pada  minggu  pertama,  sensor  yang on adalah sensor 1, sensor 2, sensor 3 sedangkan Sensor 4 dan 5  dalam  keadaan off .  Pada  minggu  kedua  sensor  yang on adalah sensor 2, sensor 3, sensor 4 sedangkan sensor 1 dan 5  dalam  keadaan off. Pada  minggu  ketiga  sensor  yang on
adalah sensor 3, sensor 4, sensor 5 sedangkan sensor 1 dan 2 dalam keadaan off. Pada minggu keempat sensor yang on adalah sensor 4, sensor 5, sensor 1 sedangkan Sensor 2 dan 3 dalam keadaan off . Pada minggu kelima sensor yang on adalah sensor 5, sensor 1, sensor 2 sedangkan  Sensor  3  dan  4  dalam  keadaan off dan  begitu seterusnya.
Proses  pergantian  hidup  dan  mati  sensor  ketika kondisi 4 sensor hidup diatur sesuai pada Tabel 2 dibawah ini.
Tabel 2 . Kondisi 5 Sensor Hidup Sensor 1 2 3 4 Minggu I On On On Off II Off On On On III On Off On On IV, dst On On Off On
Kondisi  jika  jumlah  sensor  yang on 4  dapat ditunjukkan  pada  Tabel  3.  Kondisi  sensor  berubah  setiap seminggu  sekali,  pada  minggu  pertama  sensor  yang on adalah  sensor  1,  sensor  2,  sensor  3  sedangkan  Sensor  4 dalam  keadaan off .  Pada  minggu  kedua  sensor  yang on adalah sensor 2, sensor 3, sensor 4 sedangkan sensor 1 dalam keadaan off. Pada  minggu  ketiga  sensor  yang on adalah sensor  3,  sensor  4,  sensor  1  sedangkan  sensor  2  dalam keadaan off. pada  minggu  keempat  sensor  yang on adalah sensor  4,  sensor  1,  sensor  2  sedangkan  Sensor  3  dalam keadaan off dan  begitu  seterusnya.  Proses  algoritma  TMR sesuai pada Tabel 3.
Tabel 3. Algoritma TMR Perbandingan Output A = B, B = C, A = C A // B // C A ≠ B, B = C, A ≠ C B // C A ≠ B, B ≠ C, A = C A // C A = B, B ≠ C, A ≠ C A // B A ≠ B, B ≠ C, A ≠ C Sesuai

## Ketentuan
Tabel  2  menjelaskan  algoritma  TMR  untuk keluaran  nilai  TMR,  dengan  perbandingan  sensor  sebagai berikut : dimisalkan nilai keluaran sensor A, B, dan C. Jika nilai A = B dan B = C dan A = C maka nilai keluaran sensor A atau B atau C. Jika nilai A ≠ B, B = C, A ≠ C maka nilai keluaran sensor B atau C. Jika nilai A ≠ B, B ≠ C, A = C maka nilai keluaran sensor A atau C. Jika A = B, B ≠ C, A ≠ C maka nilai keluaran sensor A atau B. Jika A ≠ B, B ≠ C, A  ≠  C  maka  akan  dicari  nilai  keluaran  yang  berada  pada rentang  ±  0,2 o C  untuk  nilai  suhu  dan  ±  5%  untuk  nilai kelembaban  (WMO,  2014),  jika  ada  nilai  yang  sama  pada rentang  yang  ditentukan,  maka  nilai  tersebut  akan  muncul sebagai hasil TMR.

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 3.1 Pengujian TMR
Pengujian TMR dilakukan dengan tujuan untuk melihat keluaran  TMR,  apabila  salah  satu  keluaran  sensor mengalami  penyimpangan  yang  lebih  jauh  dari  keluaran sensor  lainnya.  Pengujian  ini  membuktikan  bahwa  TMR akan tetap bekerja dengan mengeluarkan nilai walaupun ada salah  satu  sensor  bermasalah,  dan  metode  votingnya  tetap berjalan (Yulizar, 2016). Pengujian TMR dilakukan dengan mendekatkan  solder  yang  panas  ke  salah  satu  sensor DHT22,  dimana  sensor  DHT22  yang  didekatkan  dengan solder akan  menampilkan nilai yang lebih besar dibanding dengan  nilai  keluaran  sensor  lainnya.  Tampilan  nilai keluaran DHT22 dapat ditunjukkan pada LCD.

## Gambar 4. Pengujian TMR
Pengujian  TMR  ini  menggunakan  DHT22  X  yang didekatkan dengan solder  yang panas, pada tampilan LCD nilai  keluaran  DHT22  X  memperlihatkan  nilai  yang  lebih besar yaitu 36,7 o C, dibanding keluaran sensor DHT22 Y dan Z  yang  mempunyai  nilai  keluaran  33,9 o C  dan  33,6 o C. Pengujian diatas memperlihatkan bahwa sistem TMR tetap akan  bekerja  dengan  mengelurkan  nilai  keluaran  (sebesar 33,9 0 C)  apabila  ada  salah  satu  sensor  bermasalah,  seperti pada Gambar 3.
Sensor dapat dinyatakan bermasalah apabila memiliki nilai keluaran  yang  mempunyai  selisih  lebih  besar  banding dengan keluran sensor lainnya.

## 3.2 Pengujian Pergantian Sensor
Pengujian
pergantian sensor
dilakukan untuk memperpanjang lifetime sensor  yang  dilakukan  dengan mengatur  kondisi  nyala  sensor.  Pergantian  setiap  kondisi dilakukan  setiap  5  menit  sekali.  Pergantian  kondisi  seperti pada Gambar 5.
Gambar 5. Pengujian Pergantian Sensor
Kondisi  satu,  nilai  keluaran  sensor  yang  tampilkan  pada LCD  yaitu sensor V, W, dan  X, seperti pada gambar 5(a). Kondisi  dua,  nilai  keluaran  sensor  yang  ditampilkan  yaitu sensor W, X, dan Y, seperti pada gambar 5 (b). Kondisi tiga, nilai  keluaran  sensor  yang  ditampilkan  yaitu  sensor  X,  Y, dan  Z,  seperti  pada  gambar  5  (c).  Kondisi  empat,  nilai keluran sensor yang ditampilkan yaitu sensor Y, Z, dan V, seperti  pada  Gambar  5  (d).  Kondisi  lima,  nilai  keluaran
S u h u
0 C
sensor yang ditampilkan  yaitu sensor Z, V, dan W, seperti pada Gambar 5 (e).

## 3.3 Pengujian Lapang
Uji  lapang  dilakukan  di  Taman  Alat  kampus STMKG  pada  hari  Jum’at  28  Juli  -  01  Agustus  2017. Pengujian  ini  membandingan  hasil  TMR  dan  Peralatan AWS. pengujian juga dilakukan pada sistem On/Off sensor, dimana sensor akan hidup/nyala bergantian selama satu hari sekali.  Pada  pengujian  lapang  ini,  sistem  diletakan  dengan jarak ± 0,3 m dari AWS, seperti pada Gambar 6.

## Gambar 6. Pengujian Lapang
Uji lapang ini dilakukan untuk mengetahui kinerja alat yang dioperasikan secara terus menerus dalam jangka waktu yang panjang. Data hasil pengujian sensor suhu dan kelembapan  kondisi  1  ditunjukkan  dalam  grafik  pada Gambar 7.

## Grafik Uji Lapang Suhu Kondisi 1
40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 0 0 :0 0 9 : 0 0 :0 0 1 0: 0 0 :0 0 1 1: 0 0 :0 0 1 2: 0 0 :0 0 1 3: 0 0 :0 0 1 4: 0 0 :0 0 1 5: 0 0 :0 0 1 6: 0 0 :0 0 1 7: 0 0 :0 0 1 8: 0 0 :0 0 1 9: 0 0 :0 0 2 0: 0 0 :0 0 2 1: 0 0 :0 0 2 2: 0 0 :0 0 2 3: 5 9 :0 0 2 3: Waktu Hasil TMR Hasil AWS Grafik Uji Lapang Kelembapan Udara Kondisi 1 100.0 90.0 80.0 70.0 60.0 50.0 40.0 00 :0 09 : 00 :0 01 0: 00 :0 01 1: 00 :0 01 2: 00 :0 01 3: 00 :0 01 4: 00 :0 01 5: 00 :0 01 6: 00 :0 01 7: 00 :0 01 8 : 00 :0 01 9: 00 :0 02 0: 21 :0 0: 00 00 :0 02 2: 00 :0 02 3: 5 9 :0 0 2 3 : Waktu
Hasil TMR
Hasil AWS
Gambar 7. Pengujian Lapang Suhu dan Kelembapan Udara Kondisi 1
Uji lapang kondisi 1 dilakukan pada hari Jum’at 28 Juli  2017  pada  waktu  09.00-24.00  WIB.  Kondisi  1 sensor  yang  dalam  kondisi  hidup/ on adalah  sensor  V, W,  dan  X.  Hasil  pengujian  lapang  sistem  TMR dibanding alat AWS ditunjukkan pada Gambar 4.10
(a) dan  (b).  Hasil  pengujian  sensor  suhu,  memiliki tren yang sama terhadap nilai keluaran alat AWS, tetapi terdapat penyimpangan dari nilai keluaran hasil TMR  dibanding  AWS.  Nilai  penyimpangan  terbesar pada  waktu  09.00  WIB,  dengan  nilai  penyimpangan  - 2,88 o C.  Hasil  pengujian  sensor  kelembapan,  memiliki tren yang sama terhadap nilai keluaran alat AWS, tetapi terdapat  penyimpangan  dari  nilai  keluaran  hasil  TMR dibanding  AWS.  Nilai  penyimpangan  terbesar  pada waktu 16.00 WIB, dengan nilai penyimpangan -6,9%.

## IV. KESIMPULAN DAN SARAN

## 4.1 Kesimpulan
Kesimpulan yang didapatkan dari hasil penelitian yang telah dilakukan sebagai berikut :
1.  Sistem pengukuran suhu dan kelembapan menggunakan metode TMR jika salah satu sensor gagal, maka sistem masih dapat mengeluarkan nilai keluaran dari dua buah sensor yang masih baik.
2. Sistem pergantian sensor yang dilakukan dapat berjalan dengan  baik  tanpa  mengganggu  proses  pengambilan data.
3. Hasil sistem TMR mempunyai nilai keluaran yang tidak jauh berbeda dengan pembacaan sensor AWS taman alat.

## 4.2 Saran
Berdasarkan perancangan dan penelitian yang telah dilakukan,  sistem  pengukuran  suhu  dan  kelembaban  udara menggunakan TMR yang  dilakukan  terdapat  kekurangan sehingga  diperlukan  perbaikan  dan  pengembangan  agar menjadi lebih baik.
1. Pengujian hasil TMR dengan sistem pengukuran tunggal bisa  dilakukan  selama  3-4  bulan,  supaya  mendapatkan hasil  selisih  yang  lebih  siginifikan,  dan  dapat menentukan nilai reliability sistem.
2. Menggunakan jaringan syaraf tiruan untuk menanggulangi  kelemahan  metode  TMR  pada  saat hanya ada satu sensor yang hidup.

## DAFTAR PUSTAKA
[1]. Yulizar, David. 2016. Peningkatan Kualitas Data Pengukuran Menggunakan Triple Sensor Redundant. Skripsi. Instrumentasi. Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika.
Tangerang Selatan.
[2]. https://depokinstruments.com/2011/07/20/ adc- analog-to-digital-converter. (diakses pada tanggal 7 Januari 2017)
[3]. https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoard Uno (diakses pada 3 Januari 2017)
[4]. https://www.arduino.cc/en/guide/environment (diakses pada 24 Januari 2017)
[5]. http://www.mathworks.com/ (diakses pada24 Januari 2017)
H u m
%
[6]. http://www.proweb.co.id/articles/support/fault_tol erant.html (diakses pada 10 januari2017)
[7]. Basjaruddin, Noor Cholis. 2009. Redundant Capasitive Sensor untuk Pendeteksi Gelembung Udara Fault Tolerance. Jurnal Teknik Elektro Volume 11, No.4.
[8]. Habinc, Sandi. 2002. Functional Triple Modular Redundancy. Gaisler Research. Sweden
[9]. Hentschke, R., dkk. 2002. Analyzing Area and Performance Penalty of Protecting Different Digital Modules with Hamming Code and Triple Modular Redundancy. Prosiding Symposium on Integrated Circuit anad System Design.
[10]. Hulukati,dkk. 2014. Model Server Cluster Sebagai Redundant System Di Universitas Negeri Gorontalo. Universitas Negeri Gorontalo. Gorontalo.
[11]. Isermann, Rolf. 2006. Fault-Diagnosis System: An Introduction from Fault Detection to Fault Tolerance. Jerman: Springer
[12]. Norvag, Kjetil. 2000. An Introduction to Fault- Tolerance Systems. Norway: Department of
Computer and Information Science Norwegian University of Science and Technology.
[13]. Ridwan, Muhammad. 2015. Alat Pengukur Durasi Penyinaran Matahari Digital Dengan Pendeteksi Pergerakan Matahari. Skripsi. Instrumentasi. Sekolah  Tinggi  Meteorologi Klimatologi dan Geofisika.Tangerang Selatan.
[14]. Rohr,  A. 2003. Redundant and Voting System. Béla Lipták
[15]. Santoso, Imam Hadi. 2015. Sistem Telemetri Suhu, Kelembaban Relatif dan Tekanan Udara Berbasis Mikrokontroler ATMega32 dengan Komunikasi Radio Frekuensi. Skripsi. Instrumentasi. Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika. Tangerang Selatan.
[16]. Malotjo,  Tawakkal  Moh.  2015  Rancang bangun Accelerometer menggunakan Sensor MMA7455L. Skripsi. Instrumentasi. Sekolah Tinggi Meteorologi Klimatologi dan Geofisika. Tangerang Selatan. [17]. World Meteorogical Organization.2014. Guide to Meteorogical Instruments dan Methods of Observation, Seventh Edition,Geneva.