## Desain dan Pembuatan Sistem Pengukuran Kualitas Udara Menggunakan Mikrokontroler
M. Sadeli Amli, Brian Yuliarto, Nugraha
Program Studi Teknik Fisika, Institut Teknologi Bandung
Jalan Ganesha 10 Bandung

## Abstrak
Polusi  udara  muncul  menjadi  masalah  terbesar  di  kota-kota  besar.  Polutan  yang  ada  di  udara tersebut  berbahaya  bagi  kesehatan  manusia  dan  lingkungan.  Oleh  karena  itu,  sangatlah  penting untuk melakukan pemantauan kualitas udara. Namun, alat pemantauan yang ada saat ini memiliki banyak kekurangan di antaranya sangat statis, harganya mencapai Rp 5,5 milyar untuk satu unit, dan data  yang  ditampilkan  tidak  real  time  dan  online.  Penelitian  ini  menitikberatkan  pada  desain  dan pembuatan  sistem  pengukuran  kualitas  udara  agar  dapat  menghasilkan  data  pengukuran  yang akurat dan datanya dapat ditampilkan pada situs jaringan. Skema sistem pengukuran kualitas udara ini  terdiri  dari  sistem  pengukuran,  sistem  database,  dan  sistem  presentasi  data.  Modul  pengukur terdiri  dari  sensor  elektrokimia  (CO-B4  dan  SO2-B4),  pengondisi  sinyal  (ISB  dan  analog  to  digital converter),  mikrokontroler  Arduino,  modul  GSM/GPRS  dan  modul  micro  SD  card.  Sistem  database menggunakan database MySQL dan presentasi data berupa aplikasi berbasis web. Sistem  pengukuran  berhasil  mengirimkan  data  dari  modul  pengukur  ke  sistem  database  dengan tingkat  keberhasilan  pengiriman  data  mencapai  99,82%.  Rata-rata  waktu  tempuh  pengiriman  data adalah  120  detik,  sesuai  dengan  yang  telah  diprogramkan.  Sensor  gas  CO-B4  telah  berhasil dikalibrasi  dengan  baik  dan  telah  menunjukkan  tingkat  akurasi  yang  sangat  tinggi,  yaitu  sebesar 97,03%  dengan  rentang  kesalahan  absolut  [10-3;18,2]%.  Data  hasil  pengukuran  tersebut  sudah dikonversikan ke dalam bentuk ISPU (Indeks Standar Pencemar Udara) dan dapat diakses pada situs jaringan secara real time dan online.
Kata kunci: polutan, polusi udara, sensor elektrokimia, mikrokontroler, sistem pengukuran, real time

## 1 Pendahuluan
Pencemaran  lingkungan  merupakan  salah satu  permasalahan  besar yang dihadapi dunia saat  ini.  Masalah  utama  pencemaran  ini  yaitu  menurunnya  kualitas  udara.  Penurunan kualitas  udara  ini  disebabkan  oleh  berbagai  hal,  mulai  dari  eksploitasi  lingkungan  yang berlebihan, aktivitas industri, penggunaan energi, hingga emisi gas buang kendaraan yang semuanya memicu ke permasalahan polusi.
Secara umum, dampak kesehatan yang banyak dijumpai akibat pencemaran udara adalah ISPA  (Infeksi  Saluran  Pernafasan  Akut)  termasuk  di  antaranya,  asma,  bronkitis,  kanker hingga  kematian.  Oleh  karena  itu,  perlu  suatu  alat  pemantauan  kualitas  udara  untuk mengetahui  kandungan  gas–gas  berbahaya  di  lokasi  dimana  alat  ini  ditempatkan  dan mengambil  tindakan  pencegahan  dengan  cepat  apabila  terindikasi  konsentrasi  gas–gas tersebut berada di atas ambang batas normal.
Sejauh  ini  pemerintah  Republik  Indonesia  sudah  membeli  dan  menggunakan  Stasiun Pemantau  Kualitas  Udara  (SPKU)  untuk  mengukur  berbagai  jenis  polutan  udara.  Akan tetapi, data statistik lapangan menunjukkan jumlah minimal alat pengukur kualitas udara tersebut di masing–masing kota belum sepadan dengan jumlah minimal yang dianjurkan, dimana  idealnya  satu  SPKU  digunakan  untuk  200.000  penduduk  [1].  Hal  ini  disebabkan selain  harga  SPKU  yang  sangat  mahal,  bahkan  mencapai  Rp  5.500.000.000  per  unitnya [2],  juga  karena  biaya  pemeliharaannya  yang  mencapai  Rp  500.000.000  per  tahun  [3].
Selain  itu,  alat  SPKU  tersebut  hanya  menampilkan  data  pengukuran  setiap  pukul  15.00. Dengan  mempertimbangkan  alat SPKU yang sangat mahal, dan  juga  mempertimbangkan semakin  banyaknya  kendaraan  bermotor  di  perkotaan,  maka  pada  tugas  akhir  ini  akan dibuat  sistem  sensor  pengukuran  kualitas  udara  serta  dapat  menampilkannya  pada aplikasi web.
Tujuan penelitian ini adalah untuk membuat desain dan sistem pengukuran kualitas udara berbasis  mikrokontroler  yang  akurat  serta  data  dapat  ditampilkan  pada  aplikasi  berbasis web  sehingga  diharapkan  dapat  membantu  pemerintah  dan  pihak  terkait  untuk mengetahui  kandungan  gas–gas  berbahaya  di  lokasi  dimana  alat  ini  ditempatkan  dan mengambil  tindakan  pencegahan  dengan  cepat  apabila  terindikasi  konsentrasi  gas–gas tersebut berada di atas ambang batas normal.

## 2 Teori Dasar

## 2.1 Sensor Elektrokimia
Sensor  gas  beracun  Alphasense  adalah  sebuah  sel  elektrokimia  yang  beroperasi  secara amperometrik  yang  didasarkan  pada  arus  yang  memiliki  proporsi  linear  dengan  volume fraksional  dari  gas-gas  beracun  [4].    Gambar  1  menunjukkan    stuktur  dari  sensor  gas beracun. Saat gas masuk secara difusi menuju sensor akan dioksidasi atau direduksi pada elektroda  kerja.  Hasil  reaksi  pada  sel  elektrokimia  ini  akan  menghasilkan  arus,  yang besarnya sebanding dengan konsentrasi dari gas di udara.
Gambar 1 Diagram skematik sensor elektrokimia
Elektroda  konter  berfungsi  untuk  menjaga  kestabilan  seluruh  reaksi  dengan  cara mengurangi oksigen  dengan proton dan elektron dari elektroda  kerja. Elektroda  referensi berguna untuk memastikan agar sistem bekerja dengan benar.

## 2.2 Mikrokontroler
Mikrokontroler  adalah  suatu  IC  dengan  kepadatan  yang  sangat  tinggi,  dimana  semua bagian yang diperlukan untuk suatu kontroler sudah dikemas dalam satu keping, biasanya terdiri  dari:  CPU  ( Central  Processing  Unit ),  RAM  ( Random  Access  Memory ),  EEPROM/ EPROM/ PROM/ ROM, I/O, Serial & Parallel, Timer, dan Interupt Controlleri4.
Gambar 2 Diagram skematik mikrokontroller ATMega328
Rata-rata  mikrokontroler  memiliki  instruksi  manipulasi  bit,  akses  ke  I/O  secara  langsung dan  mudah,  dan  proses  interupt  yang  cepat  dan  efisien.  Jadi  mikrokontroler  bertugas sebagai ‘otak’ yang mengendalikan input, proses dan output sebuah rangkaian elektronik [5].

## 2.3 Cloud Server
Terdapat  suatu  sistem  penyimpan  data  yang  dapat  diakses  oleh  pengguna,  namun pengguna tersebut tidak mengetahui tempat penyimpan data tersebut. Sistem penyimpan tersebut  dapat  disebut cloud  server . Cloud  server adalah  suatu  paradigma  tentang keberadaan  informasi,  yaitu  informasi  berada  di  server  internet  secara  permanen  dan informasi  berada  di  klien  secara  sementara.  Terdapat  istilah  komputasi  awan  ( cloud computing )  dalam cloud  server .  Komputer  klien  tidak  perlu  melakukan  komputasi  berat dengan adanya sistem komputasi awan untuk menjalankan aplikasi yang dibutuhkan serta komputer klien tidak perlu memasang aplikasi yang dibutuhkan di tiap komputer. Terdapat dua komponen utama dalam cloud server , yaitu web server dan database .

## 2.4 Kalibrasi
Kalibrasi  merupakan  proses  untuk  menyesuaikan  keluaran  atau  indikasi  dari  suatu perangkat  pengukuran  agar  sesuai  dengan  besaran  dari  standar  yang  digunakan  dalam akurasi tertentu.
Berikut adalah tujuan kalibrasi :
1. Mencapai  ketertelusuran  pengukuran.  Hasil  pengukuran  dapat  dikaitkan  sampai ke  standar  yang  lebih  tinggi  (standar  nasional  dan  atau  internasional),  melalui rangkaian perbandingan yang tak terputus.
2. Menentukan  deviasi/penyimpangan  kebenaran  nilai  konvensional  penunjukan suatu alat ukur.
3. Menjamin  hasil-hasil  pengukuran  sesuai  dengan  standar  Nasional  maupun Internasional.

## 2.5 Kesalahan
Kesalahan pada pengukuran dan komputasi dapat dinyatakan dengan akurasi dan presisi. Akurasi adalah kedekatan nilai pengukuran atau komputasi dengan nilai yang sebenarnya. Sedangkan  presisi  adalah  kedekatan/konsistensi  nilai  pengukuran  atau  komputasi  yang
dilakukan  berulang  kali  pada  kondisi  yang  sama.  Kesalahan  absolut  adalah deviasi/simpangan mutlak dari nilai yang sebenarnya.

## 2.6 ISPU (Indeks Standar Pencemar Udara)
Indeks  Standar  Pencemar  Udara  adalah  penyampaian  data  kualitas  udara  kepada masyarakat yang menunjukkan seberapa bersih atau kotor udara yang ada di suatu area, serta  menunjukkan  tingkat  kualitas  yang  menerangkan  dampak  dari  pencemaran  udara terhadap  mahluk  hidup,  khususnya  manusia.  Pemerintah  Indonesia  menetapkan  5 parameter pencemar, yaitu partikel debu (PM10), sulfur dioksida (SO2), karbon monoksida (CO), ozon (O3), dan nitrogen dioksida (NO2) [6].
3 Perancangan Gas Modul Pengukur Situs Jaringan Sensor Gas CO-B4 Sensor Gas SO 2 -B4 Mikrokontroler Backup Data Jaringan Internet Komputer Server Database Pengondisi Sinyal Modul GSM/GPRS

## Gambar 3 Skema sistem pengukuran kualitas udara
Skema  sistem  pengukuran  kualitas  udara  ini  terdiri  dari  sistem  pengukuran,  sistem database ,  dan  sistem  presentasi  data  seperti  yang  terlihat  pada  Gambar  3.  Sistem pengukuran  data  terdiri  2  sensor  parameter,  yaitu  sensor  gas  CO  dan  sensor  gas  SO 2 . Kedua  sensor  tersebut  kemudian  dihubungkan  dengan  rangkaian  pengondisi  sinyal  yang menyesuaikan  keluaran  sensor  terhadap  masukan  mikrokontroller  arduino.  Hasil pembacaan oleh arduino kemudian dikirimkan ke sistem database pada komputer server melalui modul GSM/GPRS. Sistem database dibuat untuk menerima data hasil pengukuran dengan  menyusun  tabel  pada  modul  MySQL  di  komputer  server.  Data  yang  disimpan tersebut kemudian diunduh oleh situs jaringan sehingga data pada sistem database dapat diperlihatkan kepada pengguna.

## 3.1 Modul Pengukur
Gas  yang  terdeteksi  oleh  sensor  kemudian  masuk  secara  difusi  menuju  sensor  dan dioksidasi pada elektroda kerja. Hasil reaksi pada sel elektrokimia ini akan menghasilkan arus yang besarnya sebanding dengan konsentrasi dari gas tersebut. Arus yang dihasilkan
oleh  reaksi  elektrokimia  kemudian  secara  langsung  diubah  menjadi  keluaran  tegangan pada Individual  Sensor  Board (ISB).  Jadi  keluaran  dari  pin  sensor  elektrokimia  adalah berupa tegangan yang kemudian diubah menjadi sinyal digital atau dalam bentuk bit oleh pengubah  analog  ke  digital ADS1115 hingga  kemudian  diolah  di  mikrokontroler.  Pada modul pengukur ini dibuat sebuah modul penghubung antara sensor, pengubah analog ke digital  dan  mikrokontroler.  Modul  penghubung  ini  bertujuan  agar  semua  keluaran  dari sensor dapat dikirimkan ke mikrokontroler.  Keluaran mikrokontroler yang berupa data bit kemudian  dikirimkan  langsung  ke  sistem dababase pada  komputer  server  menggunakan modul  GSM/GPRS Simcom  SIM900 melalui  jaringan  internet  dengan  memanfaatkan operator jaringan tri .

## 3.2 Perancangan Perangkat Lunak
Perangkat lunak arduino berfungsi sebagai tempat untuk menulis program  yang nantinya akan diupload ke arduino. Terdapat tiga langkah yang harus dilakukan dalam melakukan pemrograman  di  arduino,  yaitu:  menulis  program,  mengecek  ( compile )  program,  dan mengunggah program ke mikrokontroller.

## 3.3 Perancangan Database
Database yang digunakan  pada  penelitian ini adalah database MySQL  yang berada  pada piranti lunak phpmyadmin komputer server dengan alamat
http://www.getsensync .com /cpanel .  Perancangan database diawali  dengan  pembuatan database baru.  Pada  tabel  MySQL,  kolom  merupakan  bagian  tetap  dan  baris  merupakan bagian  sementara  seiring  dengan  berkurang  ataupun  bertambahnya  data  yang  masuk pada tabel.

## 3.4 Penampilan Data Pada Situs Jaringan
Pada penelitian ini, penulis memanfaatkan situs jaringan yang sudah dimiliki oleh Lab AFM Teknik  Fisika  ITB  dengan  alamat http://www.getsensync.com/bandung. Situs  jaringan melakukan  pengambilan  data  dari database di  komputer server dengan  menggunakan skrip pemograman khusus.

## 3.5 Perancangan Casing Alat
Perancangan  casing  alat  ukur  yang  dibuat  pada  tugas  akhir  ini  didesain  menggunakan bahan fiber glass dengan dimensi panjang 30 cm, lebar 30 cm, dan tinggi 15 cm seperti yang terlihat pada Gambar 3.2
Gambar 4. Casing alat ukur
4 Hasil dan Analisis

## 4.1 Pengujian Jaringan
Pengujian  jaringan bertujuan  untuk memastikan  kemampuan  dan kelancaran  pengiriman data  dari  alat  ukur  ke  komputer server/database setiap  dua  menit.  Pengujian  jaringan dilakukan  dengan  cara  menghitung  persentase  keberhasilan  pengiriman  data  dari  data pengukuran sensor. Dari 2.269 baris data tersebut dihitung jumlah baris data yang berhasil mengirimkan  data  kurang  atau  sama  dengan  dua  menit  dengan  menggunakan microsoft excel .  Hasil  penghitungan  jumlah  data  yang  berhasil  mengirim  dalam  waktu  kurang  atau sama dengan dua menit adalah sebanyak 2.265 data. Data tersebut menunjukkan bahwa tingkat  keberhasilan  pengiriman  data  adalah  sebesar  99,82%  dengan  data  yang  hilang sebesar  0.18%  dan  waktu  pengiriman  rata-rata  adalah  120  detik.  Data  yang  hilang tersebut  terjadi  disebabkan  karena  adanya  pemadaman  listrik  sehingga  data  yang  telah diolah pada alat ukur baru dikirim ke database setelah listrik dinyalakan kembali.

## 4.2 Kalibrasi Alat Ukur
Kalibrasi alat ukur bertujuan untuk menyesuaikan data hasil pengukuran alat sensor yang dibuat  pada  penelitian  ini  dengan  data  hasil  pengukuran  alat  standar  dengan  cara menemukan faktor koreksinya. Langkah pertama yang dilakukan sebelum kalibrasi adalah dengan melakukan perbandingan hasil pengukuran alat ukur yang dibuat pada  penelitian ini dengan alat ukur standar yang telah terkalibrasi dengan baik. Pada  penelitian ini, alat standar yang digunakan adalah Horiba CO-Gas Analyzer dengan gas target yang digunakan adalah karbon monoksida.
Untuk menyesuaikan data hasil pengukuran alat sensor yang dibuat menjadi sama dengan data  hasil  pengukuran  pada  alat  standar Horiba ,  maka  dilakukan  kalibrasi  dengan menggunakan metode ko-lokasi. Metode ini dilakukan dengan mendapatkan sebuah kurva kalibrasi  yang  menunjukkan  hubungan  hasil  pengukuran  alat  sensor  yang  dibuat  dengan nilai pada alat standar Horiba.
Kurva  kalibrasi  didapatkan  dengan  cara    memasukkan  data  alat  standar Horiba sebagai axis  (sumbu-x)  dan  data  alat  ukur  yang  dibuat  sebagai  ordinat  (sumbu-y).  Lalu  diambil persamaan regresi linier dan didapat nilai ‘y’ yang merupakan fungsi terhadap alat standar Horiba dengan R 2 =0.9579 . Nilai kalibrasi dari alat ukur dapat dicari dengan menggunakan invers dari fungsi y sehingga didapat nilai yang baru adalah ( (y/6.45)-0/04).

## 4.3 Kesalahan Absolut
Setelah melakukan kalibrasi terhadap alat ukur yang dibuat, maka dilakukan penghitungan kesalahan  absolutnya  untuk membuktikan  bahwa alat ukur yang dibuat telah terkalibrasi dengan  baik  dan  untuk  mengetahui  rentang  kesalahan  absolut.  Penghitungan  dilakukan dengan  menggunakan  data  pengujian  alat  ukur  pada  tanggal  9,  10,  dan  11  April  2014. Jumlah data yang dihitung adalah sebanyak 2.269 buah data.
Penghitungan  kesalahan  absolut,  kesalahan  absolut  rata-rata,  nilai  rata-rata  dan  standar deviasi alat ukur yang telah dikalibrasi dilakukan dengan menggunakan rumus:
E = |x horiba – x alat ukur kal | (1)
Ē = |x horiba – x alat ukur kal | x 100% (2)
(3)
(4)
maka didapat hasil kesalahan absolut rata-rata adalah sebesar 0,0297 ppm atau 2,97 % dengan rentang kesalahan absolut  [0,001 ; 18,2] %.
Hasil  pengukuran  oleh  alat  ukur  memiliki  ketelitian  yang  tinggi  karena  hasil  rata-ratanya 0.10  dekat  terhadap  nilai  rata-rata  alat  standar  Horiba  yang  menjadi  referensi  (0.0998). dan mempunyai standar deviasi 0,03.

## 4.4 Pengujian Alat Ukur
Alat ukur yang telah dikalibrasi diuji coba di Gerbang Depan ITB selama 47 hari mulai dari tanggal  28  Juni  2014  pukul  00.00  hingga  tanggal  13  Agustus  2014  pukul  21.03.  Data hasil pengukuran tersebut kemudian diolah dan dikonversi ke dalam bentuk ISPU dengan menghitung rata-rata konsentrasi gas setiap  hari seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Grafik rata-rata per hari hasil pengukuran CO di gerbang ITB
Pada  Gambar  5  diketahui  bahwa  puncak  terjadinya  peningkatan  kadar  konsentrasi  gas karbon monoksida (CO) terjadi pada setiap hari Jumat, lalu pada Sabtu dan Minggu selalu terjadi  penurunan,  sementara  pada  Senin  hingga  Kamis  kadar  konsentrasi  CO  tidak berbeda jauh. Namun pada hari Rabu tanggal 9 Juli 2014, terjadi penurunan konsentrasi CO secara signifikan, hal ini terjadi dikarenakan adanya hari libur Pemilihan Umum Capres dan  Cawapres  Republik  Indonesia  sehingga  aktivitas  pun  minim.  Kemudian  juga  terjadi penurunan  konsentrasi  gas  CO  secara  signifikan  pada  26  Juli  2014  hingga  3  Agustus 2014.  Hal  ini  terjadi  karena  pada  masa  itu  adalah  masa  libur  lebaran  Idul  Fitri  dan  cuti bersama  sehingga  aktivitas di  sekitar  ITB  sangat  sedikit  jika  dibandingkan  aktivitas pada hari Sabtu dan Minggu sebelum dan sesudah lebaran. Selain itu, Pada Gambar 4.1 dapat disimpulkan bahwa kualitas udara rata-rata setiap hari di gerbang depan ITB menurut ISPU tergolong ke dalam kategori BAIK karena rentang indeksnya di antara 1-50.

## 5 Kesimpulan
Dari  hasil  perancangan  dan  pengujian  sistem  pengukuran  kualitas  udara  pada  penelitian ini dapat disimpulkan:
1. Telah  berhasil  dibuat  sistem  pengukuran  kualitas  udara  menggunakan mikrokontroler seperti yang terlihat pada Gambar 1 dan Gambar 2..
2. Alat ukur yang dibuat sudah terkalibrasi dengan baik, kesalahan absolut rata-rata sangat   kecil yakni sebesar 0,0297 ppm atau 2,97 % dengan rentang kesalahan absolut [0,001 ;   18,2] % dan hasil pengukuran oleh alat ukur memiliki ketelitian yang  tinggi  karena  hasil      rata-ratanya  0.10  dekat  terhadap  nilai  rata-rata  alat Horiba yang menjadi referensi (0.0998)   dan mempunyai standar deviasi 0,03.
3. Hasil pengukuran berhasil ditampilkan di situs jaringan secara real time dan online dengan    alamat  situs  jaringan  adalah  http://www.getsensy.com/bandung  dan tingkat keberhasilan pengiriman data sebesar 99,82 %.
4. Pengukuran  kualitas  gas  CO  di  ITB  selama  47  hari  menunjukkan  bahwa  kualitas gas  CO  rata-rata  maksimum  per  hari  menurut  ISPU  adalah  5,3  dan  rata-rata maksimum per jam   menurut ISPU adalah 11. Nilai rata-rata per hari dan per jam ini sudah tergolong baik   menurut data ISPU, yakni berada di dalam rentang 0-50.

## 6 Daftar Pustaka
[1] R. Suryani, “Jakarta Butuh 50 Stasiun Pemantau Kualitas Udara,” Jakarta, 2010.
[2] November 2009. [Online]. http://metro-jakpus.blogspot.com/2009/11/alat-pengukur- kualitas- udara-mulai.html. [Diakses 18 Maret 2014].
[3] April 2009. [Online]. http://bandung.detik.com/read/2009/04/24/164024/1120970/486/lima-alat- pengukur-polusi-udara-di-bandung-rusak. [Diakses 17 Maret 2014].
[4] Alphasense, “Application Notes,” [Online]. Available: http://www.alphasense.com/WEB1213/wp-content/uploads/2013/07/AAN_104.pdf. [Diakses 18 February 2014].
[5] B. Irawan, Jaringan Komputer, 1 penyunt., Yogyakarta: Graha Ilmu, 2005.
[6] B. P. D. L. RI, “KEP-107/KABAPEDAL/11/1997,” Jakarta, 1997.