## Pengembangan Sistem Hidroponik Otomatis-Modern Berbasis Panel Surya dan Baterai

## (Development of Modern Automatic Hydroponic Systems Based on Solar

## Panels and Batteries)
Luthfansyah Mohammad 1 , Suyanto 2 , Muhammad Khamim Asy’ari 3 , Asma’ul Husna 4 , Sarinah Pakpahan 5
Abstract—The  flexibility  and  the  easiness  of  farming  using modern  hydroponic  method  have  increased  the  installation requirements.  The  various  types  of  plants  can  be  applied  to modern  hydroponic  systems,  so  this  method  has  potential  to  be applied in various regions. However, not all regions have access to electricity  networks.  In  fact,  to  operate  modern  hydroponic systems,  an  adequate  supply  of  electrical  power  is  required.  In addition, a proper design becomes crucial part which has function to  maintain  the  quality  of  inorganic  substances  as  needed, accurately  and  automatically  measured.  Moreover,  the  system could  be  set  in  off-grid  mode.  Therefore,  a  further  research  of automatic hydroponics was conducted to solve various problems. The  experimental  data  shows  that  the  system  is  working accurately.  The  percentage  of  error  sensor  is  not  more  than 10.75% and the accuracy of actuator performance is 100%.  The system  is  also  capable  of  working  for  a  full  day  through a  solar panel system of 100 WP and a battery of 27 Ah. In conclusion, the design  of  the  automatic  hydroponic  system  is  capable  of  self- maintaining nutritional and pH value, solving artificial irradiation time problem, while simultaneously operating in various areas in a portable manner.
Intisari—Fleksibilitas dan kemudahan bercocok tanam dengan metode hidroponik modern mengakibatkan kebutuhan pemasangan  turut  meningkat.  Berbagai  jenis  tanaman    dapat diterapkan  pada  sistem  hidroponik  modern,  menyebabkan metode  ini  berpotensi  untuk  diaplikasikan  di  berbagai  wilayah. Namun, tidak semua wilayah memiliki akses pada jaringan tenaga listrik,  padahal  sistem  hidroponik modern  membutuhkan  suplai daya listrik yang cukup agar dapat beroperasi. Sistem hidroponik modern  juga  dituntut  memiliki  rancang-bangun  yang  berfungsi menjaga kualitas  zat  anorganik  sesuai  kebutuhan  secara akurat dan  terukur  secara  otomatis.  Sistem  yang  dibuat  juga  didesain sehingga  dapat  beroperasi  secara  off-grid.  Oleh  karena  itu, dilakukan  sebuah  pengembangan  sistem  hidroponik  otomatis untuk menyelesaikan  berbagai permasalahan. Data  uji menunjukkan  bahwa  sistem  telah  bekerja  dengan  akurat.  Error sensor  tidak  lebih  dari  10,75%  dan  akurasi  kinerja  aktuator sebesar  100%.  Sistem  juga  mampu  bekerja  selama  satu  hari penuh  melalui  sistem  panel  surya  sebesar  100  WP  dan  baterai berkapasitas 27 Ah. Sebagai kesimpulan, rancang bangun sistem hidroponik  otomatis  mampu  melakukan  self-maintenance terhadap nilai nutrisi dan pH, memenuhi kebutuhan penyinaran
buatan,  sekaligus  dapat  beroperasi  di  berbagai  area  secara portabel.
Kata Kunci — Baterai, Hidroponik Otomatis, Kontrol PPM, Nilai pH, Penyinaran Buatan, Panel Surya.

## I. P ENDAHULUAN
Bioteknologi adalah salah satu bidang keilmuan yang fokus pada  pemanfaatan  prinsip-prinsip  ilmiah  dengan  cara melakukan pemberdayaan makhluk hidup guna menghasilkan suatu  konsep  relasi  yang  konstruktif  dan mutual .  Hidroponik adalah  salah  satu  contoh  pengembangan  bioteknologi  yang dapat  berperan  dalam  peningkatan  produksi  vegetasi  atau pertanian.  Hidroponik  merupakan  sistem  hasil  modifikasi pertanian  modern  berupa  budidaya  tanaman  dengan tools berupa seperti media air dan dengan media cocok tanam yang memiliki porus .
Tanaman  yang  umum  ditanam  menggunakan  hidroponik adalah  sayur-sayuran,  buah-buahan,  maupun  tanaman  hias. Pada  umumnya,  sistem  hidroponik  memiliki  media  tanam berupa  pipa  atau  wadah  panjang  berisi  banyak  tanaman sekaligus  yang  dialiri  air  secara  terus  menerus.  Melihat arsitektur sistem hidroponik, tanaman yang sedang dibudidayakan  dapat  memperoleh  nutrisi  atau  makanan  dari larutan zat anorganik yang dialirkan bersama air melalui pipa atau  dengan  cara  disiramkan.  Terdapat  banyak  manfaat  yang dapat diperoleh dari hidroponik, salah satunya adalah potensi produksi  yang  lebih  terjamin  dengan  syarat  lingkungan  yang selalu terkontrol.
Hidroponik  memerlukan  perawatan  yang  berbeda  dengan tanaman  yang  menggunakan  media  tanam  pada  umumnya. Untuk  tetap  tumbuh,  hidroponik  memerlukan  udara,  air,  dan unsur hara pada tingkat tertentu yang secara umum diserap dari media tanamnya. Hal tersebut membuat pengondisian kualitas lingkungan  sangat  memengaruhi  pertumbuhan  hidroponik. Terdapat beberapa hal yang sangat dibutuhkan untuk menjaga kualitas  lingkungan  sesuai  dengan  kebutuhan  tanaman hidroponik, di antaranya adalah suhu, kelembapan, air, kondisi PH, nutrisi, dan cahaya. Kekurangan zat yang dibutuhkan akan membuat  pertumbuhan  tanaman  hidroponik  menjadi  buruk. Hal  tersebut  selanjutnya  akan  berdampak  pada  bentuk,  rasa, hingga kandungan dari tanaman hidroponik.
Fleksibilitas  dan  kemudahan  metode  bercocok  tanam hidroponik  membuat  kebutuhan  pemasangan  sistem  di berbagai  kondisi  area  turut  meningkat.  Variasi  tanaman  yang dapat diterapkan pada sistem hidroponik juga membuat metode
1 Institut  Teknologi  Sepuluh  Nopember,  Kampus  ITS  Sukolilo
60111 INDONESIA (tlp: 085748832970; e-mail:
luthfan48@gmail.com)
2,3,4,5 Departemen  Teknik  Fisika,  Institut  Teknologi  Sepuluh Nopember,  Kampus  ITS  Sukolilo  60111  INDONESIA  (telp: 081233182898; e-mail: Suyanto@ep.its.ac.id)
ini  potensial  untuk  dilakukan  di  berbagai  area,  seperti pegunungan, bangunan lepas pantai, gurun, maupun area yang terisolasi.  Sayangnya,  beberapa  area  pemasangan  hidroponik tersebut  tidak  memiliki  akses  pada  jaringan  tenaga  listrik, padahal  agar  sistem  dapat  beroperasi  diperlukan  suplai  daya listrik yang mencukupi.
Berangkat  dari  permasalahan  yang  terjadi,  dibuatlah  suatu rancang-bangun  sistem  hidroponik  otomatis  yang  dapat berfungsi  menjaga  kualitas  zat  anorganik  sesuai  kebutuhan secara  akurat  dan  terukur.  Sistem  yang  dibuat  juga  didesain agar  dapat  beroperasi  secara off-grid atau  tidak  bergantung pada  jaringan  tenaga  listrik.  Oleh  karena  itu,  beberapa pengujian dilakukan untuk melihat tingkat kinerja sistem. Data uji  menunjukkan  bahwa  sistem  telah  bekerja  dengan  akurat sesuai dengan setting point dan batas toleransi erro r. Seluruh sensor yang digunakan memiliki error tidak lebih dari 10,75 %, dengan  kondisi  aktuator  yang  telah  bekerja  sesuai  dengan desain.  Panel  surya  mampu  memproduksi  rerata  daya  harian hingga 140 W dibantu dengan baterai sebagai penyimpan daya listrik  yang  dibutuhkan.  Pada  data  akhir  penelitian,  sistem rancang bangun hidroponik otomatis telah mampu melakukan self-maintenance terhadap  nilai  nutrisi,  tingkat  pH,  serta kebutuhan penyinaran hidroponik. Sistem rancang bangun juga dapat  beroperasi  di  berbagai  area  secara portable dengan sumber energi yang tercukupi dan baterai yang terisi penuh.

## II. M ETODOLOGI

## A. Kultur Hidroponik
Kultur  hidroponik  merupakan  metode  penanaman  tanaman tanpa menggunakan media tumbuh dari tanah [1]. Hidroponik berarti penanaman dalam air yang mengandung campuran hara. Hidroponik  dalam  praktiknya  tidak  terlepas  dari  penggunaan media  tumbuh  lain  yang  bukan  tanah  sebagai  penopang pertumbuhan tanaman.
Sistem hidroponik merupakan cara produksi tanaman yang sangat  efektif.  Sistem  ini  dikembangkan  berdasarkan  alasan bahwa jika tanaman diberi kondisi pertumbuhan yang optimal, potensi  maksimum  untuk  berproduksi  dapat  tercapai.  Hal  ini berhubungan dengan pertumbuhan sistem perakaran tanaman. Pertumbuhan  perakaran  tanaman  yang  optimum  akan menghasilkan pertumbuhan tunas atau bagian atas yang sangat tinggi. Larutan nutrisi yang diberikan pada sistem hidroponik mengandung komposisi garam-garam organik yang berimbang untuk  menumbuhkan  perakaran  dengan  kondisi  lingkungan perakaran yang ideal [2].
Sistem  hidroponik  memiliki  beberapa  kelebihan  dan kekurangan jika dibandingkan dengan pertanian konvensional. Kelebihan  sistem  hidroponik  antara  lain  penggunaan  lahan lebih efisien; tanaman berproduksi tanpa menggunakan tanah; tidak  ada  risiko  untuk  penanaman  terus-menerus  sepanjang tahun;  kuantitas  dan  kualitas  produksi  lebih  tinggi  dan  lebih bersih; penggunaan pupuk dan air  yang  lebih efisien; periode tanam  lebih  pendek;  serta  pengendalian  hama  dan  penyakit yang  lebih  mudah.  Sementara  itu,  kekurangan    hidroponik antara lain  membutuhkan modal yaitu sistem tertutup (nutrisi disirkulasi);  jika  ada  tanaman  yang  terserang  patogen,  dalam waktu  yang  sangat  singkat  seluruh  tanaman  akan  terkena
serangan tersebut; pada kultur substrat, kapasitas memegang air media  substrat  lebih  kecil  daripada  media  tanah;  sedangkan pada kultur air, volume air dan jumlah nutrisi sangat terbatas sehingga akan menyebabkan pelayuan tanaman yang cepat dan stres yang serius [3].

## B. Prinsip-Prinsip Teknik Hidroponik
Sistem hidroponik pada dasarnya merupakan modifikasi dari sistem pengelolaan budidaya tanaman di lapangan secara lebih intensif  untuk  meningkatkan  kuantitas  dan  kualitas  produksi tanaman  serta  menjamin  kontinuitas  produksi  tanaman. Beberapa  aspek  penting  dalam  pengelolaan  tanaman  dengan sistem  hidroponik  yang  perlu  diperhatikan  yaitu  unsur-unsur penting, formula nutrisi dan cara aplikasinya, serta kepekatan larutan nutrisi dan pH larutan.
1)  Unsur-Unsur  Penting: Tanaman  membutuhkan  enam belas  unsur hara/nutrisi  untuk  pertumbuhan  yang  berasal  dari udara, air, dan pupuk. Unsur-unsur tersebut adalah karbon (C), hidrogen (H), oksigen (O), nitrogen (N), fosfor (P), kalium (K), sulfur (S), kalsium (Ca), besi (Fe), magnesium (Mg), boron (B), mangan (Mn), tembaga (Cu), seng (Zn), molibdenum (Mo), dan klorin  (Cl).  Unsur-unsur  C,  H,  dan  O  biasanya  disuplai  dari udara  dan  air  dalam  jumlah  yang  cukup.  Unsur  hara  lainnya didapatkan melalui pemupukan atau larutan nutrisi [1].
Unsur-unsur nutrisi penting dapat digolongkan ke dalam tiga kelompok  berdasarkan  kecepatan  hilangnya  dari  larutan  [4]. Kelompok  pertama  adalah  unsur-unsur  yang  secara  aktif diserap oleh akar dan hilang dari larutan dalam beberapa jam, yaitu  N,  P,  K,  dan  Mn.  Kelompok  kedua  adalah  unsur-unsur yang mempunyai  tingkat  serapan  sedang  dan biasanya  hilang dari larutan agak lebih cepat daripada air yang hilang (Mg, S, Fe, Zn, Cu, Mo, Cl). Kelompok ketiga adalah unsur-unsur yang secara  pasif  diserap  dari  larutan  dan  sering  bertumpuk  dalam larutan (Ca dan B).
N, P, K, dan Mn harus tetap dijaga pada konsentrasi rendah dalam larutan untuk mencegah akumulasi yang bersifat racun bagi  tanaman.  Konsentrasi  yang  tinggi  dalam  larutan  dapat menyebabkan serapan yang berlebihan, yang dapat mengakibatkan ketidakseimbangan hara. Unsur N mempunyai pengaruh yang paling besar terhadap pertumbuhan, hasil, dan kualitas  tanaman  sayuran  [5].  N  untuk  larutan  hidroponik disuplai dalam bentuk nitrat. N dalam bentuk amonium nitrat mengurangi serapan K, Ca, Mg, dan unsur mikro. Kandungan amonium  nitrat  harus  di  bawah  10%  dari  total  kandungan  N pada  larutan  nutrisi  untuk  mempertahankan  keseimbangan pertumbuhan  dan  menghindari  penyakit  fisiologi  yang berhubungan  dengan  keracunan  amonia.  Konsentrasi  P  yang tinggi  menimbulkan  defisiensi  Fe  dan  Zn,  sedangkan  K yang tinggi dapat mengganggu serapan Ca dan Mg [6].
Unsur mikro dibutuhkan dalam jumlah kecil sebagai nutrisi untuk  pertumbuhan  dan  perkembangan  tanaman.  Selain  itu, unsur  mikro  juga  penting  untuk  meningkatkan  ketahanan tanaman  terhadap  serangan  penyakit  atau  hama.  Kekurangan Mn  menyebabkan  tanaman  mudah  terinfeksi  oleh  cendawan Pythium [4]. Cu dan Zn dapat menekan pertumbuhan mikrobia, tetapi pada konsentrasi agak tinggi menjadi racun bagi tanaman. Silikon  juga  bermanfaat  untuk  ketahanan  tanaman,  meskipun
tidak  dikenal  sebagai  unsur  esensial,  yaitu  dapat  melindungi dari serangan hama dan penyakit [7], [8] dan melindungi dari keracunan logam berat.
2)  Formula  Nutrisi  dan  Cara  Aplikasinya: Suplai kebutuhan  nutrisi  untuk  tanaman  dalam  sistem  hidroponik sangat  penting  untuk  diperhatikan.  Dua  faktor  penting  dalam formula  larutan  nutrisi,  terutama  jika  larutan  yang  digunakan akan disirkulasi ( closed system ), adalah komposisi larutan dan konsentrasi  larutan.  Kedua  faktor  ini  sangat  menentukan produksi tanaman. Setiap jenis tanaman, bahkan antar varietas, membutuhkan  keseimbangan  jumlah  dan  komposisi  larutan nutrisi  yang  berbeda  [9].  Beberapa  faktor  penting  dalam menentukan  formula  nutrisi  hidroponik  adalah  garam  yang mudah larut dalam air, kandungan natrium, klorida, amonium dan nitrogen organik, atau unsur-unsur yang tidak dibutuhkan untuk  pertumbuhan  tanaman  harus  diminimalkan,  digunakan komposisi  bahan  yang  bersifat  tidak  antagonis  satu  dengan yang lainnya, serta dipilih yang ekonomis.
Aplikasi larutan nutrisi pada kultur hidroponik secara prinsip juga tergantung pada metode yang akan diterapkan. Beberapa metode tersebut antara lain adalah metode kultur pot dan kultur bedeng dengan sistem Nutrient Film Technique (NFT). Sistem pemberian  larutan  nutrisi  pada  kultur  pot  atau polybag dapat dilakukan  secara  manual  atau  irigasi  tetes  ( drip  irrigation ) dengan frekuensi 3-5 kali per hari, tergantung pada kebutuhan tanaman, macam media tumbuh, dan cuaca/kondisi lingkungan. Sistem irigasi tetes lebih mudah, menghemat tenaga dan waktu, tetapi  memiliki  kendala  berupa  saluran  irigasi  yang  sering tersumbat  sehingga  aliran  nutrisi  terhambat.  Sementara  itu, sistem  pemberian  larutan  nutrisi  pada  kultur  bedeng  dengan sistem NFT dilakukan melalui perputaran aliran larutan nutrisi yang dibantu oleh pompa mesin atau dapat pula menggunakan cara yang lebih sederhana (tanpa pompa), yaitu menggunakan gaya gravitasi.
3)  Kepekatan Larutan Nutrisi dan pH Larutan: Kepekatan larutan  nutrisi  hidroponik  perlu  diukur  sehingga  kebutuhan nutrisi  dalam  fase  pertumbuhan  tanaman  dapat  terpenuhi. Satuan  untuk  mengukur  kepekatan  suatu  larutan  cair  atau nutrisi  tanaman  hidroponik  yaitu Part  per  Million (PPM). Penambahan atau peningkatan PPM nutrisi disesuaikan dengan
umur dan jenis tanaman. Kepekatan nutrisi hidroponik diukur dengan sebuah alat yang disebut Total Dissolved Solid (TDS) meter dengan satuan PPM.
Faktor  lain  yang  penting  untuk  dikontrol  dalam  sistem hidroponik adalah tingkat keasaman larutan atau pH. Formula nutrisi  yang  berbeda  mempunyai  pH  yang  berbeda  karena garam-garam  pupuk  mempunyai  tingkat  keasaman  yang berbeda  jika  dilarutkan  dalam  air.  Nilai  pH  larutan  yang direkomendasikan  untuk  tanaman  sayuran  pada  kultur hidroponik adalah antara 5,5 sampai 6,5, sehingga didapatkan hasil  yang  baik  [10].  Ketersediaan  Mn,  Cu,  Zn,  dan  Fe berkurang pada pH yang lebih tinggi dan sedikit ada penurunan untuk  ketersediaan  P,  K  ,  Ca,  dan  Mg  pada  pH  yang  lebih rendah.  Penurunan  ketersediaan  nutrisi  berarti  penurunan serapan nutrisi oleh tanaman.

## C. Panel Surya
Sel surya merupakan suatu perangkat energi baru terbarukan yang  bertujuan  untuk    mengonversi  sinar  matahari  menjadi energi  listrik  dengan  menggunakan  prinsip  fotovoltaik. Gabungan beberapa sel surya disebut sebagai panel surya atau modul surya [11]. Perhitungan besarnya kapasitas modul surya yang  digunakan  pada  sistem  hidroponik  dapat  dilakukan dengan  mempertimbangkan  beberapa  faktor,  di  antaranya jumlah  total kebutuhan  energi  pada  sistem,  insolasi  matahari, dan faktor penyesuaian. Besarnya kapasitas modul surya dapat dihitung menggunakan (1) [12].
𝐾𝑎𝑝𝑎𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑃𝑎𝑛𝑒𝑙 𝑆𝑢𝑟𝑦𝑎 = 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 𝐾𝑒𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑎𝑛 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖 𝐼𝑛𝑠𝑜𝑙𝑎𝑠𝑖 𝑀𝑎𝑡𝑎ℎ𝑎𝑟𝑖 × 𝐹𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑃𝑒𝑛𝑦𝑒𝑠𝑢𝑎𝑖𝑎𝑛 (1)
Durasi  penyinaran  matahari  di  Indonesia  dalam  satu  hari diperkirakan 8 jam, sehingga besarnya insolasi dapat dihitung dengan cara mengalikan durasi penyinaran dengan persentase
(a)
(b)
Gbr. 2 Desain konstruksi hidroponik otomatis berbasis panel surya, (a) tampak samping, (b) tampak depan.
Gbr. 1 Data rata-rata penyinaran matahari setiap bulan.
penyinaran  [13].  Persentase  penyinaran  matahari  dalam setahun di Indonesia ditampilkan pada Gbr. 1.

## D. Baterai
Baterai  merupakan  suatu  perangkat  yang  mengandung  sel listrik  yang  dapat  menyimpan  energi  dan  mengonversinya dalam bentuk daya. Proses elektrokimia yang terjadi di dalam baterai terdiri atas dua tahapan, yaitu tahap pengosongan dan tahap  pengisian.  Tahap  pengosongan  yaitu  proses  perubahan energi kimia menjadi energi listrik, sedangkan tahap pengisian yaitu  proses  pengubahan  energi  listrik  menjadi  energi  kimia dengan cara melewatkan arus listrik dalam arah polaritas yang berlawanan  di  dalam  sel  [14].  Melihat  hal  tersebut,  baterai cocok  digunakan  untuk  menyimpan  energi  listrik  yang
dihasilkan  dari  panel  surya  selama  siang  hari  [15].  Besarnya kapasitas  baterai  yang  digunakan  dalam  suatu  sistem tergantung pada besarnya energi beban total yang dibutuhkan oleh  sistem  tersebut.  Besarnya  kapasitas  baterai  yang dibutuhkan dapat dihitung dengan menggunakan (2).
𝐴ℎ = 𝐸𝑇 𝑉 (2)
Ah adalah  kapasitas  baterai, ET adalah  energi  total,  dan V adalah  tegangan.  Untuk  mengetahui  nilai  keadaan  pengisian baterai  terhadap  kapasitas,  digunakan  suatu  metode  yang bernama Coulomb  counting dengan  nilai  pembacaan  berupa State  of  Charge (SOC)  dalam  satuan  persen  [15].  Semakin besar  nilai  SOC,  energi  yang  tersimpan  di  baterai  semakin
Mulai Baca pH, TDS, Volume Air, Waktu Volume Air > 5 liter Tidak Pompa Air
Menyala
Ya
pH = 0,55-0,65?
Tidak
pH > 0,65? Ya
Pompa Cairan Asam Menyala Ya Tidak
Pompa Cairan Basa Menyala TDS < 1.300-1.500? Ya Pompa Nutrisi A Menyala
Pompa Nutrisi B Menyala Tidak
Ya Waktu Penyinaran?
Relay Lampu UV Menyala Tidak Relay Lampu UV Mati Siang Hari? Ya Tidak Relay Panel Surya Mati Relay Panel Surya Menyala Selesai Saklar Daya Menyala? Ya Tidak
Gbr. 3 Diagram alir sistem kontrol.
mendekati  nilai  penuh.  Metode Coulomb  counting ini mengukur  besar  arus  dalam  satuan coulomb yang  berhasil masuk menuju atau keluar dari baterai.

## III. H ASIL DAN P EMBAHASAN

## A. Desain Sistem Keseluruhan
Desain  pemodelan  tiga  dimesi  sistem  secara  keseluruhan ditunjukkan pada Gbr. 2. Panel surya berfungsi sebagai sumber penghasil  energi  kelistrikan  sistem,  baterai  digunakan  untuk menyimpan energi, sedangkan  sensor dan aktuator digunakan untuk menjaga nilai setting point pada tanaman hidroponik. Secara  umum,  metode  kontrol  yang  digunakan  dalam makalah ini tidak lepas dari arsitektur Multi Input Multi Output (MIMO).  Terdapat  beberapa  variabel  dependen yang membutuhkan  multi  sensor  dan  multi  aktuator  sebagai  media kontrol.  Dalam  hal  ini,  konsep  tersebut  disederhakan  melalui diagram  alir  yang  ditunjukkan  pada  Gbr.  3.  Proses  diawali dengan menentukan terlebih dahulu nilai pH, PPM, ketinggian air,  dan  kondisi  waktu  secara real-time .  Selanjutnya  sistem akan  menyalakan  pompa  agar  air  mengalir  menuju  wadah utama. Air akan terus diukur ketinggiannya agar tidak melebihi ketinggian wadah utama. Jika air telah terisi sesuai setting point , selanjutnya sistem melakukan penyeimbangan kadar pH dalam wadah utama. Jika larutan pada wadah utama memiliki range di  atas setting  point ,  pompa  akan  mengalirkan  larutan  asam yang  bertujuan  untuk  menurunkan  tingkat  basa.  Hal  tersebut juga berlaku ketika larutan terdeteksi berada di bawah setting
point atau asam, pompa akan menyala dan mengalirkan larutan basa  menuju  wadah  utama.  Jika  keadaan  pH  larutan  telah berada  pada  batas  toleransi setting  point ,  selanjutnya  sistem melakukan proses pada kondisi nutrisi atau PPM larutan wadah utama. Ketika nilai PPM berada di bawah setting point , pompa akan  mengalirkan  larutan  nutrisi  A  dan  nutrisi  B  ke  dalam wadah utama. Selanjutnya sensor akan terus memantau kinerja berbagai  variabel  pengamatan  agar  sistem  selalu  berada  pada kondisi setting point .
Untuk  melakukan  penghematan  konsumsi  energi  listrik, pompa  utama  yang  berfungsi  menjalankan  sirkulasi  air  dari wadah  sistem  menuju  tanaman  dan  kembali  lagi  hanya  akan beroperasi pada durasi waktu tertentu. Pompa beroperasi setiap 30 menit dan berhenti pada 30 menit berikutnya dalam satu hari. Selain itu, sistem penerangan juga tidak menyala secara terus menerus, tetapi hanya pada jam tertentu saja. Dalam makalah ini, sistem penerangan ultraviolet menyala selama 4 jam setiap hari,  bergantung  pada  jenis  tanaman  yang  ditanam.  Secara keseluruhan,  fungsi  pewaktu  pada  sistem  dibebankan  pada modul Real  Time  Clock (RTC)  agar  sistem  tetap  beroperasi sesuai dengan jadwal yang telah ditentukan dengan akurat.
Gbr.  4  menunjukkan  aliran  daya  dan  kontrol  yang  bekerja pada sistem. Mulanya, energi listrik dihasilkan oleh panel surya 100 W- peak , lalu energi listrik tersebut disimpan pada baterai 27Ah dengan tegangan terminal 12 V. Setelah melalui beberapa rangkaian  regulator tegangan,  energi  listrik  tersebut  dapat digunakan  sebagai  suplai  daya  mikrokontroler,  sensor,  dan aktuator.

## B. Kinerja Sensor
Sensor yang digunakan dalam sistem hidroponik ini terdiri atas  sensor  PPM,  sensor  pH,  dan  sensor  volume  air.  Sensor PPM  yang digunakan  memiliki  nomor  seri  SEN2044  Gravity Analog TDS Sensor Meter. Sensor pH yang digunakan adalah pH  Sensor  Module  V.1.1  MSP340.  Selanjutnya,  sensor  yang digunakan  sebagai  pengukur  nilai  volume  atau  ketinggian cairan pada wadah utama adalah water level sensor analog. Sensor-sensor yang digunakan akan dikarakterisasi terlebih dahulu  sebelum  diintegrasikan  dengan  sistem  kontrol  pada sistem hidroponik. Karakterisasi digunakan untuk mengetahui nilai error dan akurasi masing-masing sensor. Perhitungan nilai error dilakukan dengan cara membandingkan dengan alat ukur yang telah terkalibrasi seperti pada Gbr. 5.
Panel Surya 50 watt- peak Modul Real Time Clock Baterai VRLA
9 Ah, 12 V
Aktuator Hidroponik
Tanaman Hidroponik
Node MCU
ESP 32 Node MCU ESP 32 Modul Real Time Clock Sensor pH dan Nutrisi

## Aliran Komunikasi dan Data
Aliran Energi Listrik
Gbr. 4 Diagram blok aliran daya listrik dan komunikasi.
(a) (b) Gbr. 5 Alat ukur, (a) probe sensor pH dan pH-meter, (b) probe sensor PPM dan PPM-meter.
Perhitungan  akurasi  dilakukan  dengan  membandingkan sensor  dengan  alat  ukur  standar.  Hasil  dari  masing-masing pengukuran pada sensor  PPM, sensor pH, dan sensor volume air ditampilkan pada Gbr. 6. Pada gambar tersebut, dapat dilihat bahwa error maksimal sebesar 81 PPM untuk sensor PPM, 0,29 untuk sensor pH, dan 0,17 l untuk sensor volume air. Akurasi sensor  PPM  sebesar  99,95%,  sensor  pH  sebesar  99,95%,  dan sensor  volume  air  sebesar  99,96%.  Ketiga  sensor  yang
digunakan mempunyai akurasi lebih dari 95% sehingga dapat dilakukan  tahapan  selanjutnya,  yaitu  integrasi  dengan  sistem kontrol.
Error yang  terjadi  dapat  diakibatkan  oleh  beberapa  faktor. Salah satunya adalah munculnya sedimentasi atau penempelan material  tertentu  pada probe yang  digunakan.  Hal  tersebut terjadi  karena probe harus  dicelupkan  pada  larutan  agar  nilai PPM  atau  pH  dapat  terbaca.  Dengan  tercelupnya probe pada larutan  tersebut,  konduktor  transduser  pada probe dapat tertutup oleh kerak akibat sedimentasi asam dan mineral.

## C. Penjadwalan Siklus Pompa dan Durasi Penyinaran
Otomatisasi  sistem  pada  hidroponik  juga  meliputi penggunaan lampu ultraviolet sebagai pengganti sinar matahari. Hal  tersebut  diupayakan  agar  sistem  dapat  bekerja  dalam kondisi  apa  pun,  khususnya  pada  daerah  atau  tempat  yang minim penyinaran matahari. Selain itu, sistem juga dijadwalkan memiliki siklus operasi pompa yang disesuaikan dengan waktu. Hal tersebut digunakan untuk menghemat konsumsi daya listrik sistem  dari  baterai.  Dari  pengujian  diketahui  bahwa  pompa telah bekerja sesuai dengan jadwal waktu yang telah ditentukan.
Pengujian lampu ultraviolet ditunjukkan pada Gbr. 7. Lampu ultraviolet  yang  digunakan  telah  beroperasi  sesuai  dengan durasi waktu yang telah ditentukan oleh modul RTC. Masing- masing aktuator dioperasikan menggunakan modul relay DC 5 V  yang  bersumber  dari  pembagi  tegangan  dari  baterai.  Pada makalah  ini,  pompa  yang  digunakan  berjenis  pompa  DC submersible dengan daya rerata 10 W dan tegangan kerja 12 V. Pompa  jenis  ini  memiliki  karakteristik  pengoperasian  yang harus  berada  di  dalam  air.  Keunggulan  pompa  jenis submersible terletak  pada konstruksi  pompa  yang  tidak  rusak atau mengalami short circuit ketika berada di dalam air.

## D. Desain dan Kinerja Sistem Panel Surya-Baterai
Beban  energi  listrik  yang  digunakan  dalam  sistem hidroponik perlu dihitung untuk menentukan kapasistas panel surya  dan  baterai  yang  digunakan.  Profil  beban  dan  hasil perhitungan energi listrik untuk sistem hidroponik ditampilkan pada Tabel I.
Kapasitas panel surya yang dibutuhkan sebesar 73,3 Wp dan kapasitas  baterai  sebesar  22,9  Ah.  Hasil  tersebut  didasarkan pada  perhitungan  menggunakan  (1)  tentang  penentuan kapasitas  panel  surya  dan  (2)  tentang  penentuan  kapasitas baterai.  Hasil  kalkulasi  kapasitas  panel  surya  dan  baterai selanjutnya  disesuaikan  dengan  nilai  kapasitas  yang  umum
Sensor TDS Tot al Dissolve Sol id (P PM) (a) (b) set point (c)
Gbr. 6 Grafik hasil karakterisasi sensor, (a) PPM, (b) pH, (c) volume air.
Gbr. 7 Pengujian sinar ultraviolet untuk penerangan buatan pada hidroponik.
digunakan atau tersedia di pasar. Oleh karena itu, panel surya yang digunakan sebesar 100 Wp dan kapasitas baterai sebesar 27 Ah.
Rangkaian menggunakan tiga buah baterai dengan kapasitas 9  Ah  yang  dikoneksi  secara  paralel.  Skema  rangkaian  pada panel  surya  ditunjukkan  pada  Gbr.  8.  Hal  tersebut  membuat baterai  memiliki  tegangan  terminal  sebesar  12  V,  dengan kapasitas  baterai  sebesar  27  Ah.  Untuk  menyesuaikan kebutuhan  beban,  selanjutnya  dua  buah  panel  surya  dengan kapasitas  50  Wp  dihubungkan  secara  paralel  agar  tegangan kerja mendekati tegangan pengisian baterai. Sebagai pengaman tambahan,  digunakan  sebuah  diode  yang  mampu  melakukan blok arus, khususnya saat sistem berada di malam hari. Selain itu,  untuk  menjaga  kondisi  kesehatan  baterai,  ditambahkan sebuah  modul Low  Voltage  Disconnect (LVD)  yang  mampu melakukan pemutusan koneksi ketika tegangan terminal baterai kurang dari 12 V.
Gbr.  9(a)  merupakan  grafik  yang  menunjukkan  rata-rata daya  listrik yang  diproduksi oleh  panel  surya  terhadap  waktu (jam) mulai pagi hingga sore hari. Grafik tersebut menunjukkan bahwa produksi daya listrik panel surya tertinggi terjadi pada pukul  12.00  dengan  daya  rerata  sebesar  54  W,  dengan  total energi  maksimum  yang  dapat  diproduksi  dalam  satu  hari sebesar 316,69 Wh. Gbr. 9(b) menunjukkan grafik SOC pada baterai ketika melakukan pengisian selama 8 jam.

## E. Kinerja Keseluruhan Sistem
Data  yang  dijadikan  acuan  (variabel  proses  kontrol)  dari sistem kontrol hidroponik adalah nilai PPM dan pH. Pengujian total dilakukan dengan kondisi awal wadah utama yang kosong. Pengujian  total  panel  surya  dan  baterai  yang  digunakan diperlihatkan pada Gbr. 10.
Selanjutnya sensor akan mengukur level air, kualitas PPM, dan level pH. Terdapat empat buah aktuator yang bekerja untuk variabel  PPM dan pH. Aktuator tersebut berupa pompa valve yang berada di dalam dua buah botol nutrisi dan dua buah botol
pH, seperti pada Gbr. 11. Setelah sensor mendapatkan masing- masing data yang dibutuhkan, aktuator bekerja dan didapatkan data  seperti  pada  Tabel  II.  Pada  proses  pencampuran  larutan, dibutuhkan  setidaknya  3  menit  agar  larutan  dapat  tercampur dengan  baik  pada  wadah  utama.  Selanjutnya,  sistem  akan bekerja kembali dengan mengukur nilai variabel dan aktuator akan beroperasi sesuai dengan hasil pembacaan. Pada rata-rata pengujian,  setidaknya  sistem  membutuhkan  waktu  15  menit untuk memperbaiki kualitas nutrisi dan menyeimbangkan nilai pH sesuai dengan setting point .
Mikrokontroler yang digunakan adalah Arduino nano. Relay modul delapan pin juga digunakan untuk melakukan switching aktuator. Sebagai tindakan preventif ketika baterai tidak terisi penuh, sistem juga dilengkapi dengan power supply DC 12 V yang dapat disambung dengan jaringan listrik AC 220V.
T ABEL I
P ROFIL B EBAN DAN K ALKULASI K ONSUMSI E NERGI L ISTRIK Jenis Beban  Jumlah Waktu Operasional (h) Daya (W) Energi (Wh) Sensor PPM 1 0,05 4 0,2 Sensor pH 1 0,05 4 0,2 Pompa valve 4 0,05 4 0,8 Lampu UV 1 4 25 100 Kontroller 1 24 3 72 Pompa utama 1 12 10 120 Total
293,2
Gbr. 8 Skematik hubungan paralel panel surya dengan baterai penyimpanan.
(a) Charging Time (menit) Charging Voltage (V) Charging Current (A) Battery State of Charge (%) (b)
Gbr.  9  Hasil  pengujian,  (a)  produksi  daya  panel  surya,  (b)  grafik state  of charge baterai.
(a)
(b)
Gbr. 10 Sumber energi listrik sistem, (a) panel surya, (b) baterai.
Hasil  akhir  sistem  hidroponik  diperlihatkan  pada  Gbr.  12. Secara total, sistem yang dirancang telah bekerja sesuai dengan setting  point dan  seluruh  sistem  kelistrikan  dapat  beroperasi sesuai dengan fungsi yang ditentukan.

## IV. K ESIMPULAN
Seluruh  pengujian  dilakukan  guna  mengetahui  respons sistem terhadap setting point . Sistem yang diuji meliputi sensor, aktuator, dan modul referensi proses lainnya. Hasil pembacaan
menunjukkan bahwa seluruh sensor yang digunakan memiliki error tidak  lebih  dari  10,75%,  dengan  tingkat  akurasi  kerja aktuator yang mencapai 100%. Siklus kerja pompa dan durasi penyinaran  lampu  ultraviolet  juga  dapat  beroperasi  sesuai dengan penjadwalan waktu yang dikehendaki. Pada sisi energi listrik,  panel  surya  dapat  menghasilkan  keluaran  daya  listrik yang tidak kurang dari estimasi dan baterai mampu menyimpan energi  sesuai  dengan  kebutuhan  sistem  selama  satu  hari. Sebagai  kesimpulan  akhir,  sistem  telah  terbukti  mampu menjaga  nilai  kualitas  hidroponik  sesuai  dengan  kebutuhan tanaman  sekaligus  mampu  membuat  hidroponik  menjadi fleksibel dan dapat dipasang di berbagai area.

## R EFERENSI
[1] R. Rosliani dan S. Sumarni, Budidaya Tanaman Sayuran dengan Sistem Hidroponik ,  Bandung,  Indonesia: Balai  Penelitian  Tanaman  Sayuran,
2005.
[2] K. Raffar, “Hydroponics in Tropica,” dipublikasikan pada International Seminar  on  Hydroponic  Culture  of  High  Value  Crops  in  the  Tropics , Malaysia, 25-27 Nov. 1990.
[3] D. Rosario, A. Dafrosa, dan P. Santos, “Hydroponic Culture of Crops in the  Philippines:  Problems  and  Prospect,”  dipublikasikan  pada International Seminar on Hydroponic Culture of High Value Crops in the Tropics , Malaysia, 25-27 Nov. 1990.
[4] B. Bugbee, “Nutrient Management in Recirculating Hydroponic  Culture,” The South Pacific Soil-less Culture Conference , 2003. hal. 99-112.
[5] K.-Y.  Kim,  “Status  and  Prospect  of  Hydroponics  Crop  Production  in Korea,”  dipublikasikan  pada International  Seminar  on  Hydroponic Culture of High Value Crops in the Tropics , Malaysia, 25-27 Nov. 1990.
[6] R.L. Chaney dan B.A. Coulombe, “Effect of Phosphate on Regulation of Fe-Stress in Soybean and Peanut,” Journal of Plant Nutrition , Vol. 5, No. 4-7, hal. 469-487, 1982.
[7] M. Cherif, J. Menzies, D. Ehret, C. Boganoff, dan R. Belanger, “Yield of Cucumber  Infected  with  Pythium  Aphanidermatum  when  Grown  with Soluble  Silicon,” Horticultural  Science ,  Vol.  29,  No.  8,  hal.  896-897, 1994.
[8] M.D.  Winslow,  “Silicon,  Disease  Resistance  and  Yield  of  Rice Genotypes Under Upland Cultural Conditions,” Crop Science ,  Vol.  32, No. 5, hal. 1208-1213, 1992.
[9] J. Valamis dan D. Williams, “Manganese and Silicon Interaction in the Gramineae,” Plant and Soil , Vol. 27, pp. 131-140, 1967.
[10] M.E.  Marvel,  “Hydroponic  Culture  of  Vegetable  Crops,”  University  of Florida, Gainesville, USA, 1974.
[11] B.H.  Purwoto,  Jatmiko,  M.  Alimul  F.,  dan  I.F.  Huda,  “Efisiensi Penggunaan Panel Surya sebagai Sumber Energi Alternatif,” Emitor: J. Tek. Elektro , Vol. 18, No. 1, hal. 10–14, 2018.
[12] M. Hankins, Stand-alone Solar Electric Systems: The Earthscan Expert Handbook  for  Planning,  Design  and  Installation ,  1 st ed.,  London,  UK: Routledge. 2010.
[13] M. Syukri dan Suriadi, “Perencanaan Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)  Terpadu  Menggunakan  Software  PVSYST  pada  Komplek Perumahan di Banda Aceh,” Jurnal Rekayasa  Elektrika ,  Vol. 9,  No.  2, hal. 77–80, 2010.
[14] P.M.  Hunter  dan  A.H.  Anbuky,  “VRLA  Battery  Virtual  Reference Electrode: Battery Float Charge Analysis,” Vol. 23, No. 3, hal. 879–886, 2008.
[15] L.  Mohammad,  E.  Prasetyono,  dan  F.D.  Murdianto,  “Performance Evaluation  of  ACO-MPPT  and  Constant  Voltage  Method  for  Street Lighting Charging System,” 2019 International Seminar on Application for Technology of Information and Communication (iSemantic) , 2019, hal. 411-416.
T ABEL II H ASIL S ISTEM K ONTROL PADA S ISTEM H IDROPONIK Waktu Respon Sistem (Menit) Variabel Proses (Kontrol) Aktuator pH Nilai Nutrisi (PPM) Nutrisi A  Nutrisi B  pH Up pH Down 0 5,14 473 ON ON ON OFF 3 5,35 815 ON ON OFF ON 6 6,08 1.194 ON ON OFF ON 9 6,06 1.377 ON ON OFF OFF 12 6,05 1.582 ON ON OFF OFF 15 6,05 1.582 OFF OFF OFF OFF (a) (b) Gbr. 11 Hardware sistem, (a) mikrokontroler dan sistem kelistrikan di dalam kotak panel, (b) botol larutan yang akan dipompa ke wadah utama.
(a) (b)
Gbr. 12 Sistem hidroponik otomatis, (a) sistem tampak samping, (b) tanaman pada pipa dan cahaya buatan.