Abstrak — Polusi  udara  pada  wilayah  perkotaan  di  Indonesia mengandung  banyak  gas  yang membahayakan bagi kesehatan. Polusi  udara  yang  sering  kita  alami  sebagian  besar dikarenakan  oleh  kendaraan  bermotor  dan  asap  rokok. Paparan  gas  seperti  Karbon  Monoksida  (CO),  Karbon Dioksida  (CO 2 ),  Nitrat  Oksida  (NO),  Tar,  Nikotin  dari kendaraan  bermotor  dan  asap  rokok  dapat  menyebabkan munculnya  berbagai  penyakit  pernapasan.  Pada penelitian ini, sistem  sensor  gas  elektrokimia  tipe  CO-B4  digunakan  untuk mendeteksi  CO  dan  NO-B4  digunakan  untuk  mendeteksi  NO. Sensor  ini  dapat  mendeteksi  kadar  gas  yang  rendah  sehingga keluaran  sensor  yang  sangat  kecil  ini  sering  terpendam  oleh noise .  Untuk itu diperlukan proses digital low pass filter (LPF) dengan  frekuensi  cutoff  5Hz  untuk  menghilangkan noise. LPF diimplementasikan  pada  mikrokontroller  Arduino  Due.  Hasil dari pembacaan sensor divisualisasikan pada LCD TFT. Sistem sensor  gas  elektrokimia  ini  telah  digunakan  untuk  monitoring polusi udara di ruang terbuka seperti jalan raya.
Kata  Kunci — Arduino  Due ,  Liqiud  Crystal  Display  Thin  Film Transistor (LCD  TFT) ,  Low  Pass  Filter (LPF) , Sensor  Gas Elektrokimia

## I. PENDAHULUAN
OLUSI  udara  di  wilayah  perkotaan  besar  di  Indonesia beberapa tahun belakangan ini mempunyai kondisi yang sudah  memprihatinkan.  Udaranya  telah  dipenuhi  oleh  asap yang mengandung gas yang berbahaya bagi kesehatan. Salah satu  pemicu  utama  dari  kondisi  tersebut  adalah  jumlah kendaraan  bermotor.  Sebagai  sumber  utama  polusi  udara  di perkotaan,  kendaraan  bermotor  telah  meningkat  jumlahnya dengan  tajam  dalam  kurun  waktu  beberapa  tahun  terakhir. Pertumbuhan  jumlah kendaraan bermotor selama satu tahun (2015-2016) mencapai  7  juta  menurut  data  bada  pusat statistik Indonesia (BPS), ditunjukkan pada Tabel 1.
Kendaraan  bermotor  mengeluarkan  berbagai  jenis  gas maupun  partikel  yang  terdiri  dari  berbagai  senyawa anorganik  dan  organik  dengan  berat  molekul  yang  besar yang  dapat  langsung  terhirup  melalui  hidung  seperti  gas karbon  monoksida  (CO)  dari  kendaraan  berbahan  bakar
bensin dan gas Nitrat Oksida (NO) dari kendaraan berbahan bakar  diesel.  Selain  polusi  udara  dikarenakan  oleh
kendaraan  bermotor  juga  terdapat  polusi  udara  dikarenakan asap rokok.
Seperti  yang  sudah  diketahui  bersama  bahwasannya rokok  merupakan  sesuatu  hal  yang  sangat  disukai  oleh masyarakat  di  Indonesia.  Banyak  sekali  orang  di  Indonesia ini yang merokok tanpa memikirkan resiko yang akan terjadi di  masa  yang  akan  datang.  Asap  rokok  mengandung  ribuan zat  kimia  yang  mana  komponen  asap  yang  paling  dikenal adalah tar, nikotin, dan CO.
Polusi  udara  yang  merupakan  proses  pencemaran  pada udara ini tentu saja mempunyai berbagai dampak yang dapat kita rasakan. Dampak yang ditimbulkan oleh polusi udara ini tentu saja merupakan dampak yang bersifat negatif. Adapun dampak  utama  dari  adanya  polusi  udara  adalah  gangguan pernafasan seperti misal gangguan paru- paru .
Berdasarkan  referensi  diatas,  keberadaan  CO  dan  NO pada  udara  dapat  berbahaya  bagi  kesehatan  manusia. Sehingga  pada  penelitian  ini  akan  dibuat  sistem  sensor  gas elektrokimia  untuk  mendeteksi  CO  dan  NO  yang  ada  pada polusi udara.

## II. METODE PENELITIAN
Pada  bab  ini akan dibahas beberapa tahap perancangan sistem  sensor  gas  elektrokimia,  yaitu  diagram  blok  sistem, hardware sensor  gas,  perancangan  LPF,  proses  identifikasi gas.

## A. Diagram Blok Sistem
Pada diagram blok sistem ini akan menjelaskan tentang sistem  keseluruhan  dari  sistem  sensor  gas  elektrokimia. Sistem sensor gas ini akan melakukan pemantauan kadar gas CO dan NO.
Seperti yang digambarkan pada Gambar 1, perancangan  keseluruhan  sistem  akan  berjalan  seperti  pada diagram  blok  tersebut.  Diagram  blok  secara  umum  terdiri dari  sampel  gas  uji  sebagai  masukan,  ruang  uji  gas  sebagai tempat  pengujian  gas,  LPF  sebagai  pemroses  sinyal  dari sensor, dan visualisasi.

## Sistem Sensor Gas Elektrokimia yang Diimplementasikan pada Arduino Due
Andrianto dan Muhammad Rivai
Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
e-mail : muhammad_rivai@ee.its.ac.id
P
Gambar 1. Diagram blok sistem. Tabel 1. Perkembangan Jumlah Kendaraan Bermotor di Indonesia
Jenis Kendaraan Bermotor Jumlah Kendaraan Bermotor (Unit) 2013 2014 2015 2016 Mobil Penumpang 11484514 12599038 13480973 14580666 Mobil Bis 2286309 2398846 2420917 2486898 Mobil Barang 5615494 6235136 6611028 7063433 Sepeda motor 84732652 92976240 98881267 105150082 Jumlah 104118969 114209260 121394185 129281079
Perangkat  keras  pada  sistem  sensor  gas  elektrokimia  terdiri dari :
1. Gas Uji
2. Sampel  gas  uji  yang  akan  digunakan  pada  penelitian ini adalah gas sisa pembuangan kendaraan bermotor.
3. Modul Sensor Gas Elektrokimia
4. Sensor  yang  digunakan  adalah  sensor  CO-B4  dan NO-B4, yang digunakan untuk membaca nilai gas CO dan NO.
5. Arduino Due Arduino  ini  merupakan  produk  Arduino  yang berbasis  pada  CPU  Atmel  SAM3X8E  ARM  Cortex- M3  [1][2].  Arduino  Due  pada  penelitian  ini digunakan  untuk  menghitung  dan  mengolah  semua data dari sensor dan visualisasi.
6. LCD TFT LCD  TFT  digunakan  untuk  visualisasi  nilai  dari sensor gas elektrokimia.
Sedangkan  perangkat  lunak  dari  sistem  sensor  gas elektrokimia  secara  umum  adalah  perangkat  lunak  pada mikrokontroler.  Perangkat  lunak  yang  dirancang  ini berfungsi  untuk  melakukan  proses  pembacaan  ADC, low pass filter dan visualisasi pada LCD TFT.

## B. Perancangan Perangkat Keras
Pada  Gambar  2  dapat  dilihat  diagram  blok  perangkat keras sistem sensor gas elektrokimia yang terdiri dari sensor gas  elektrokimia  yaitu  CO-B4  dan  NO-B4,  ruang  uji  gas, rangkaian  pengkondisi  sinyal,  pompa, buck  converter , Arduino due, dan LCD TFT.
1) Sensor Gas Elektrokimia
Sensor  gas  CO-B4  dan  NO-B4  pada  penelitian  ini digunakan  untuk  mendeteksi  nilai  karbon  monoksida  dan nitrat oksida. Sensor ini dipilih karena dapat mendeteksi gas yang spesifik dan mampu mendeteksi kadar gas yang rendah. 2) Rangkaian Pengkondisi Sinyal Pada Gambar 3 merupakan contoh rangkaian pengkondisi  sinyal  sensor  gas  elektrokimia.  Rangkaian  ini berfungsi  untuk  mengaktifkan  sensor  dan  mengubah  arus menjadi  tegangan.  Pengubahan  arus  menjadi  tegangan  ini dikarenakan  keluaran  dari  sensor  gas  ini  adalah  arus  tetapi ADC  dari  Arduino  Due  hanya  dapat  membaca  besaran tegangan.

## 3) Ruang Uji Gas
Diagram  blok  ruang  uji  gas  dapat  dilihat  pada  Gambar 4.  Pada  tahap  ini  terdapat  pompa  udara  yang  berfungsi menyalurkan  udara  ke  ruang  uji  gas.  Sebelum  sampel  gas masuk ke ruang uji gas, udara akan melawati silica gel yang berfungsi  sebagai  pengering  udara  agar  udara  yang  akan diuji  tidak  mengandung  air.  Tujuan  dari  pengeringan  udara ini agar hasil pengukuran bisa presisi dan valid.

## 4) Komputer
Komputer  pada  penelitian  ini  digunakan  sebagai interface dari sinyal dengan program delphi yang digunakan untuk  melihat  keluaran  sensor  yang  sudah  melalui  proses LPF dan juga sinyal sensor gas asli (tanpa LPF).

## C. Perancangan Perangkat Lunak
Pada  Gambar  5  dapat  dilihat  diagram  blok  dari perangkat lunak sistem sensor gas elektrokimia. Pada bab ini perangkat  lunak  hanya  menggunakan  Arduino  Due  untuk melakukan proses ADC pada sensor, LPF, dan visualisasi.

## 1) ADC Sensor Gas Elektrokimia
Sensor  gas  elektrokimia  memiliki nilai keluaran berupa ADC.  Nilai  ADC  tersebut  akan  dikonversi  ke  dalam  PPM, maka  diperlukan  data  berupa  Vout  dari  sensor  gas  CO  dan NO.  ADC  tersebut  nantinya  diproses  oleh  arduino  yang memiliki  ADC  12  bit.  Perhitungan  tegangan  ADC (Analog Digital Converter) dapat dirumuskan pada persamaan:
(1)
2) Perangkat Lunak Low Pass Filter Butterworth Orde 2 Filter  ini  digunakan  untuk  meredam noise yang dihasilkan dari keluaran sensor [4]. Pada perangkat ini akan digunakan digital  butterworth  lowpass  filter orde  2  untuk meredam noise. Jenis  filter  ini  diturunkan  berdasarkan persamaan  filter  analog  sehingga  lebih  mudah  dalam mengatur respon frekuensi dari filter tersebut [5]. Proses ini akan menggunakan filter dengan frekuensi cutoff 5 Hz. Pada Gambar  6  menunjukkan  alur  keseluruhan  dari  sistem low pass filter
Gambar 4. Diagram blok ruang uji gas
Gambar 5. Diagram blok perangkat lunak

## D. Kalibrasi Sensor Gas Elektrokimia
Modul  sensor  gas  CO-B4  merupakan  salah  satu  jenis sensor gas elektrokimia yang mampu mendeteksi kandungan gas  karbon  monoksida  di  udara.  Sensor  CO-B4  memiliki  3 elektroda dan salah satunya merupakan elektroda work yang masuk  ke  rangkaian  pengkondisi  sinyal  yang  menghasilkan nilai  yang  digunakan  sebagai input mikrokontroler  Arduino Due.  Nilai  tegangan  keluaran  dari  rangkaian  pengkondisi sinyal  CO-B4  dikonversi  menjadi  satuan part  per  million (ppm),  sehingga  diperlukan  proses  kalibrasi  [10].  Proses kalibrasi  ini  memerlukan  sensor  CO-B4,  rangkaian pengkondisi  sinyal,  Arduino  Due,  CO-meter,  gas  CO  dari sisa  pembuangan  mobil,  dan  wadah  untuk  mempersempit ruangan  agar  gas  CO  tidak  tercampur  dengan  gas  lainnya. Proses  kalibrasi  sensor  CO-B4  dilakukan  seperti  pada Gambar 7.
Arduino Due pada proses ini digunakan untuk membaca data berupa tegangan  dari  sensor  dan  CO-meter menampilkan  data  kadar  gas  dalam  ppm  pada  wadah tertutup. Data tersebut akan dibandingkan untuk mendapatkan  persamaan  matematis  perbandingan  antara output  dari  sensor  dan  pembacaan  pada  CO-meter. Persamaan  matematis  dari  pengujian  tersebut  diperoleh dengan menggunakan regresi polinomial.

## III. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA
Setelah  dilakukan  perancangan perangkat sistem sensor gas elektrokimia, maka akan dilakukan serangkaian uji coba alat  sesuai  dengan  kinerja  yang  diharapkan.  Hasil  dari perancangan  dan  pembuatan  perangkat  keras  sistem  sensor gas  ditunjukkan  pada  Gambar  8.  Perangkat  ini  terdiri  dari silika  gel  yang  berfusngi  untuk  menyaring  udara  [11], sensor, ruang uji gas dan rangkaian pengkondisi sinyal untuk menguji kadar gas, pompa, power supply, dan rangkain buck converter yang  digunakan  untuk  menarik  udara  yang  ada pada  ruang  uji  gas  dan  sampel  gas.  Arduino  due  sebagai mikrokontroller  yang  digunakan  untuk  sistem  LPF  dan visualiasasi pada LCD TFT.
A. Pengujian Sensor Gas dan Software
Pada pengujian ini akan dilakukan pengujian sensor gas dan software yang  telah  dibuat.  Pada  pengujian  sensor  ini, ruang  gas  akan  diberikan  sampel  gas  untuk  melihat  respon dari  sensor,  seperti  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  9. Kemudian  sensor  yang  terhubung  dengan  rangkaian pengkondisi  sinyal  akan mengeluarkan tegangan dan dibaca oleh  Arduino.  Pada  Arduino  terdapat  program  LPF  digital yang  digunakan  untuk  menghilangkan noise dan  juga digunakan  komunikasi  serial  agar  data  dapat  disimpan. Dalam hal ini, data disimpan dalam bentuk CSV. Gambar 10 menunjukkan  hasil  interface  yang  merupakan  tampilan respon sensor pada komputer.
Gambar 8. Realisasi perangkat keras sistem sensor gas elektrokimia.
Gambar 9. Realisasi ruang uji gas.
Gambar 10. Interface pada computer.
Gambar 11. Pengujian respon sensor CO.
Gambar 12. Pengujian respon sensor NO.
Gambar 7. Perancangan kalibrasi sensor CO.
Gambar 13. Hasil kadar gas CO.
Gambar 14. Hasil kadar gas NO.
Gambar  11,  12,  13,  dan  14  merupakan  hasil  pengujian respon  sensor  terhadap  gas  CO  dan  NO.  Pada  Gambar  11 dan 12, ruang gas uji diberi sisa gas dari kendaraan bermotor dan  dapat  dilihat  bahwa  respon  dari sensor  menaik saat gas dimasukkan  dan  respon  dari  sensor  akan  menurun  saat  gas dikeluarkan  menggunakan  pompa.  Sedangkan pada Gambar 13 dan 14 menunjukkan kadar dari masing-masing gas yang dibaca  oleh  sensor.  Sinyal  ini  diperoleh  dari  sinyal  asli keluaran  dari  sensor  yang  sudah  diproses  melewati  digital LPF pada Arduino Due.
B. Kalibrasi Sensor
Untuk melakukan proses kalibrasi, sensor dan CO meter dimasukkan kedalam wadah untuk mempersempit ruang dan mempermudah  untuk  pendeteksian  gas  seperti  yang ditunjukkan  pada  gambar  15.  Percobaan  ini  dilakukan sebanyak 3 kali yang hasilnya ditunjukkan pada Tabel 2.
Tabel 2.

## Kalibrasi Sensor CO-B4 dengan CO meter
CO meter (ppm) V Out (V) 125 2.1815 120 2.13 110 2.0505 100 1.917 90 1.871 80 1.7565 70 1.7105 60 1.7085 50 1.683 40 1.605 30 1.5765 20 1.5355 10 1.4935 5 1.467 0 0.7625
Gambar 15. Kalibrasi sensor CO-B4 dengan CO meter.
Gambar 16. Rangkaian pengkondisi sinyal sensor.
Gambar 16. Rangkaian pengkondisi sinyal sensor.
C. Rangkaian Pengkondisi Sinyal
Gambar  16  menunjukkan  hasil  desain  rangkaian pengkondisi  sinyal  yang  dibutuhkan  untuk  mendapatkan sinyal  sensor  dalam  besaran  tegangan.  Rangkaian  ini  terdiri dari  regulator  LM336-2.5  dan  IC  Operational  Amplifier TLC272.
D. Pengujian Sistem
Pada  pengujian  ini  dilakukan  dengan  cara  mengambil sampel  udara  di  jalan  raya.  Untuk  itu  perlu  dipersiapkan alat-alat  untuk  mengambil  sampel  gas,  yaitu  pompa  untuk menyedot gas polusi, selang  sebagai penghubung, powerbank sebagai  supply  untuk  menyalakan  pompa , dan kantong  gas  untuk  tempat  penampungan  gas  polusi. Pertama-tama  gas  diambil  menggunkan  pompa  untuk menyedot  dan  dimasukkan  ke  dalam  kantong  gas  seperti yang  ditunjukkan  pada  Gambar  17.  Kemudian  gas  tersebut dipompa  untuk  dimasukkan  ke  ruang  uji  gas  agar  dapat dibaca  oleh  sensor.  Data  tersebut  kemudian  diproses  oleh Arduino  Due  dan  divisualisasikan  pada  LCD  TFT.  Selain
itu,  data  dikirim  secara  serial  dan  di- interface- kan  pada komputer untuk disimpan dalam format CSV.
Percobaan  dilakukan  sebanyak  3  kali.  Data  diambil pada hari Sabtu 23 Juni dan Minggu 24 Juni di jalan Manyar Kertoarjo,  Surabaya.  Pengambilan  data  yang  pertama  pada hari  Sabtu  jam  11.00.  Pengisian  kantong  gas  dilakukan selama 2 menit dimana kantong gas sudah penuh. Kemudian gas  dari  kantong  sampel  tersebut  dimasukkan  ke  ruang  uji untuk  diukur  kadar  dari gas tersebut yang ditunjukkan pada Gambar 18 dan 19.
Percobaan  kedua  dilakukan  pada  hari  Sabtu  jam  18.00 dengan  data  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  20  dan  21. Pengujian terakhir dilakukan pada hari Minggu 24 Juni jam 15.00  dengan  data  yang  ditunjukkan  pada  Gambar  22,  23, dan 24.
Gambar 23. Data sensor terhadap polusi udara NO Minggu 24 Juni jam 15.00
Gambar 22. Data sensor terhadap polusi udara CO Minggu 24 Juni jam 15.00
Gambar 21. Kadar polusi udara Sabtu 23 Juni jam 18.00
Gambar 20. Data sensor terhadap polusi udara Sabtu 23 Juni jam
18.00
Gambar 18. Data sensor terhadap polusi udara Sabtu 23 Juni jam 11.00
Gambar 17. Pengambilan sampel polusi udara di jalan raya
Rerata  nilai  kadar  gas  polusi  udara  ditunjukkan  pada  Tabel 3.  Dapat  dilihat  adanya  perbedaan  kadar  gas  CO  dan  NO pada  setiap  waktu.  Hal  ini  dikarenakan  jumlah  kendaraan bermotor yang melintas pada jalan tersebut berbeda-beda.

## IV. KESIMPULAN
Berdasarkan hasil pengujian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa untuk mendeteksi gas karbon monoksida dan  nitrat  oksida  dapat  digunakan  sensor  CO-B4  dan  NO- B4.  Sistem  digital Low  Pass  Filter (LPF) Butterworth dengan  frekuensi  cutoff  5Hz  dapat  digunakan  untuk menghilangkan noise .  Sistem  LPF  dapat  diimplementasikan menggunakan  Arduino  Due  sebagai  mikrokontroller  dari sistem  sensor  gas  elektrokimia.  Sistem  sensor  gas elektrokimia  ini  dapat  digunakan  untuk  monitoring  polusi udara di Surabaya dengan rata-rata kadar gas CO 38,65 ppm dan NO 13,26 ppm.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Schafer  and  Buck, “ Discrete-Time  Signal  Processing  in  RF Application,  Lecture  handout :  Digital  Signal  Processing,” Villigen, 2007.
[2] S.  Setiawan, “ Studi  Eksperimental  Fuzzy  FES  Control  untuk Pergerakan Knee Joint, ” 2016.
[3] M. Gumelar, M. Rivai, and Tasripan, “ Rancang Bangun Wireless Electronic  Nose  Berbasis  Teknologi  Internet  of  Things, ” J.  Tek. ITS , 2017.
[4] F.  Rizki  and  M.  Rivai, “ Autonomous  Surface  Vehicle  sebagai Alat  Pemantau  Lingkungan  Menggunakan  Metode  Navigasi Waypoint, ” J. Tek. ITS , 2018.
[5] H. Rahmannuri, M. Rivai, and T. A. Sardjono, “ Design of Digital Lock-In  Amplifier  for  Low  Concentration  Gas  Detection, ” in International  Seminar  on  Intelligent  Technology  and  Its Application (ISITIA) , 2017.
Gambar 24. Kadar polusi udara Minggu 24 Juni jam 15.00
Tabel 3.

## Kadar gas polusi udara
Hari Jam Kadar CO (ppm) Kadar NO (ppm) Sabtu 11.00 30,47 7,89 Sabtu 18.00 39,65 12,25 Minggu 15.00 45,84 19,64