## RANCANG BANGUN STAND-ALONE AUTOMATIC RAIN GAUGE (ARG) BERBASIS PANEL SURYA
Zaenal Arifin * , Helmy Rahadian Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Dian Nuswantoro *Corresponding author, e-mail : xzaenal@dsn.dinus.ac.id
Abstrak — Automatic Rain Gauge (ARG) digunakan untuk memonitor curah hujan di suatu wilayah. ARG bekerja  dengan  menggunakan  mikrokontroller  sebagai  prosesing  unit  dan  merupakan  sebuah embedded sistem  (sistem  yang  berdiri  sendiri).  ARG  tidak  hanya  diletakan  pada  stasiun  pemantauan  Badan Meteorologi,  Klimatologi  dan  Geofisika  (BMKG),  namun  ARG  juga  diletakan  di  daerah  terpencil  yang jauh dari jaringan listrik. Hal tersebut menjadi masalah karena ARG membutuhkan sumber energi listrik untuk dapat bekerja. Berdasarkan spesifikasinya, ARG membutuhkan mikrokontroller yang rendah dalam penggunaan daya serta memiliki cukup memory sebagai tempat penyimpanan data sementara. Salah satu jenis mikrokrontroller yang memenuhi spesifikasi tersebut adalah MSP430FR5969. Dari penelitian yang telah dilakukan, didapatkan hasil konsumsi daya rata – rata yang dibutuhkan oleh ARG sebesar 0.23 watt. Dengan memanfaatkan panel surya sebesar 20 watt yang dilengkapi dengan maximum power point tracking (MPPT)  sebagai  sumber  energi  listrik,  dapat  menghasilkan  daya  5,5  watt  hingga  7,2  watt.  Dengan perbandingan data konsumsi energi dan data yang dihasilkan dari solar panel panel, maka ARG memiliki sumber listrik mandiri untuk memenuhi kebutuhannya.
Kata Kunci :  Automatic  Rain  Gauge  (ARG),  MSP430FR5969,  Panel  Surya,  Maximum  Power  Point Tracking (MPPT).
Abstract —  Automatic  Rain  Gauge  (ARG)  used  to  monitoring  rainfall  in  a  region.  ARG  used  a microcontroller as a process unit and embedded system (stand-alone system). ARG is not only placed on the BMKG station, but ARG is also located in remote areas far from the electricity grid. This is became a problem because ARG requires electricity to work. Based on the specification, ARG requires a low power microcontroller and have enough memory as a temporary data storage. One type of microcontroller these specifications is MSP430FR5969. Based on the research, the average power consumption the ARG is 0.23 watt.  Applying a 20  watt solar panel  with a  maximum power point tracking (MPPT) as a source power could generate power 5.5 watt until 7.2 watt. Comparison of power consumption and power generate from solar panels, ARG has an independent power source to meet its needs.
Keywords :  Automatic Rain Gauge (ARG), MSP430FR5969, Solar Cell, Maximum Power Point Tracking (MPPT).
Copyright © 2017 JNTE. All rights reserved

## 1. PENDAHULUAN
Curah  hujan  mulai  diukur  pada  abad  17  di Eropa.  Pada  saat  itu  pengukuran  curah  hujan dilakukan  secara  manual  dengan  menggunakan gelas ukur yang diletakan di suatu area kemudian jumlah  air  yang  tertampung  pada  gelas  ukur tersebut  dicatat  sebagai  data  pengukuran  curah hujan. Data pengukuran curah hujan digunakan sebagai  acauan  dalam  penelitian  mengenai kondisi cuaca di suatu wilayah. Seiring dengan berkembangnya  teknologi,  curah  hujan  saat  ini dapat  diukur  secara  otomatis  dengan  peralatan yang  disebut  dengan Automatic  Rain  Gauge (ARG) [1].
ARG  terdiri  dari  beberapa  bagian,  yaitu tipping-bucket sebagai sensor penghitung jumlah  curah  hujan.  Bagian  berikutnya  adalah mikrokontroller  yang  difungsikan  sebagai logger dan  juga  sebagai  pen- trigger modul komunikasi. Modul komunikasi berfungsi untuk mengirimkan  data  ke server yang  telah ditentukan.  Bagian  terakhir  dari  ARG  adalah catu daya ( power supply ) [2]. Beberapa hal yang perlu  diperhatikan  mengenai  ARG  diantaranya tingkat akurasi data pengukuran, ketahanan dan effisiensi. Tingkat akurasi suatu ARG ditentukan oleh  sensor  penangkap  curah  hujan  yang digunakan. ARG harus tahan terhadap berbagai cuaca,  baik  dingin  maupun  panas  karena
nantinya  ARG  akan  diletakan  di  luar  ruangan atau outdoor .  ARG  harus  dapat  bekerja  secara effisien  terutama  mengenai  konsumsi  daya. Karena ARG nantinya akan diletakan di tempat terpencil,  ARG  harus  memiliki  sumber  energi secara  mandiri  untuk  memenuhi  kebutuhannya [3].  Salah  satu  sumber  energi  yang  dapat dimanfaatkan sebagai energi listrik adalah energi sinar  matahari.  Sinar  matahari  dapat  diubah menjadi  listrik  dengan  memanfaatkan solar panel atau sel surya.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA

## 2.1. Tipping-Bucket
Curah  hujan  memiliki  satuan  ukuran  yaitu mm/h  (millimeter  per  hour)  untuk  tiap  meter persegi  (m 2 ).  Artinya  data yang  diambil  adalah jumlah  air  yang  tertampung  pada  luasan  1  m 2 untuk setiap jam nya [4].
𝐼 𝑡 = 𝑅 𝑡 𝑡 (1)
𝐼 𝑡 = Rain Intensity (mm/h). R  = Rain. t  = Time.
Gambar 1. Tipping-bucket .
Tipping-bucket merupakan alat ukur otomatis untuk pengukuran curah hujan. Seperti ditunjukan  pada  gambar  1,  di dalam  tipping- bucket ,  terdapat  sensor reed  switch yang membaca pergerakan jumlah air yang tertampung  di  dalam tipping-bucket tersebut. Sebagai  contoh  jika  di  suatu  area  yang  data seluas 1 m 2 tertampung air setinggi 10 mm sama dengan  tertampung  air  sejumlah  1  liter  [5]. Sehingga tinggi permukaan air tersebut digunakan  sebagai  acuan  dalam  pengukuran curah  hujan. Tipping-bucket yang  digunakan oleh  BMKG  memiliki  luasan  100  cm 2 yang
berbentuk  corong.  Pada  Gambar  1,  Air  akan menggalir  dari  corong  menuju  bucket  yang nantinya  akan  menampung  sejumlah  air sementara dan setelah penuh akan bergerak naik dan turun sesuai jumlah tampungan air tersebut. Setiap pergerakan bucket memiliki kapasitas air sejumlah  20  ml  [6]. Tipping-bucket merupakan input dalam sistem ARG.
2.2. MSP430FR5969 MSP430FR5969
merupakan varian mikrokontroller  dari Texas  Instruments (TI) yang  masuk  kedalam  kategori ultra-low-power FRAM yaitu  merupakan  kombinasi  dari arsitektur FRAM dan ultra-low-power sistem.
Spesifikasi MSP430FR5969 Arsitektur : 16-bit RISC Tegangan kerja : 1.8 V to 3.6 V GPIO Pins : 40 Non-Volatile Memory : 64 KB SRAM/ EEPROM : 2 KB Kecepatan Clock : 16 MHz Gambar 2. LaunchPad MSP430FR5969.
Seperti terlihat pada Gambar 2, LaunchPad MSP430FR5969 dilengkapi dengan modul LCD SHARP 96 [7]. Sensor reed switch dari tipping- bucket dihubungkan ke MSP430FR5969 sebagai input  data  curah  hujan.  Selain  membaca  input dari  sensor reed  switch ,  MSP430FR5969  juga berfungsi  sebagai logger (penyimpan  data sementara)  dan  juga  pen- trigger komunikasi modul  yang  nantinya  akan  mengirimkan  data yang telah diolah ke server .

## 2.3. SIM900 (komunikasi modul)
Sim900  merupakan  modul  komunikasi yang  digunakan  dalam  penelitian  ini.  Dengan memanfaatkan  teknologi Global  System  for Mobile (GSM) SIM900 dapat digunakan sebagai komunikasi data melalui fasilitas yang ada pada GSM.  Pada  penelitian  ini  pengiriman  data
dilakukan  dengan  memanfaatan  fasilitas Short Message  Service (SMS)  sebagai  metode pengiriman data ke server [8].
Gambar. 3 Modul SIM900.
Pengiriman  data  berbasis  SMS  dipilih karena jaringan tersebut sudah tersedia di hampir seluruh wilayah Indonesia. Jaringan untuk GSM khususnya  untuk  SMS  juga  relatif  stabil dibandingkan  dengan  jaringan  lainya  seperti EDGE,  3G  dan  4G  [9].  Modul  SIM900 ditunjukan pada Gambar 3.

## 2.4. Power Supply

## Gambar 4. LiFePO4.
Power  supply yang  digunakan  pada penelitian ini terdiri dari beberapa bagian, yaitu baterai sebagai  penyimpan  energi  listrik,  sel surya  sebagai  sumber  energi  listrik,  dan Maximum Power Point Tracking untuk memaksimalkan  sel  surya.  Pada  penelitian  ini menggunakan baterai lithium polymer (LiFePO4)  dengan  spesifikasi  4200mAH  6.6 yang ditunjukan pada Gambar 4.
Baterai  LiFePO4  dipilih  karena  memiliki ketahanan  yang  baik  dalam  sistem charge dan discharge  (Cycle  Life) serta  aman  dalam penggunaanya  seperti  yang  ditunjukan  pada Gambar 5 [10].
Gambar 5. Grafik  Spesifikasi  Baterai  LiFePO4 dibandingkan  dengan  Baterai  dari bahan lainya.
Gambar 6. Bq24650 EVM-639 board.
Untuk pengisian baterai, power supply juga dilengkapi  dengan  sel  surya.  Sel  surya  yang digunakan  berjenis Polycrystalline dengan spesifikasi output maksimal  20  watt.  Karena tingkat effisiensi dari daya yang dihasilkan oleh sel surya sangat rendah, maka perlu
ditambahakan maximum  power  point  tracking (MPPT) [11][12]. MPPT yang digunakan adalah BQ24659. Pada MPPT telah dilakukan pengaturan  batas  minimum  tegangan  pengisian baterai yaitu sebesar 7 V serta batas maksimum pengisian  baterai  berhenti pada 7.4 V  [13][14]. Pada  Gambar  6  merupakan  modul  MPPT BQ24659.

## 2.5. Server
Gambar 7. Tampilan pada server ARG.
Server merupakan bagian untuk menyimpan data. Server mendapatkan data dari
berbagai  ARG  yang  diletakan  di  berbagai tempat. Server juga  mampu  mengidentifikasi serta melakukan remote ARG untuk mendapatkan  data  sesuai  dengan  apa  yang diinginkan.  Di  dalam  penelitan  ini,  data  yang diambil oleh serve r yaitu, nomor data, id ARG, tanggal/  jam,  intensitas  hujan  serta  kapasitas baterai seperti yang ditunjukan pada Gambar 7.

## 3. METODOLOGI
Penelitian ini fokus pada perancangan ARG berbasis panel surya untuk memenuhi kebutuhan dayanya secara mandiri. Langkah-langkah yang dilakukan yaitu:
1.  Membuat purwarupa ARG dengan konsumsi daya yang rendah.
2.  Melakukan  pengukuran  konsumsi  daya ARG.
3.  Melakukan pengukuran daya yang dihasilkan oleh  solar  panel  yang  dilengkapi  dengan MPPT.

## 3.1. Desain Sistem
Gambar 8. Diagram Block Sistem ARG.
Pada Gambar 8 dapat dilihat bagian – bagian dari  ARG  serta  keterangan  mengenai  distribusi daya serta distribusi data. LCD dan komunikasi modul  (SIM900)  terhubung  dengan protocol serial terhadap  mikrokontroller, tipping-bucket yang  merupakan  input  terhubung  dengan protocol  digital (membaca  1/0).  Selain  itu terdapat  sensor  pengukur  tegangan  serta  arus untuk  mengetahui  kapasitas  baterai  yang terhubung  dengan  pin analog yang  ada  pada mikrokontroller.
3.2. Flow Chart Untuk design  software ,  memiliki  alur  atau flowchart yang ditunjukan pada Gambar 9.
Gambar 9. Flowchart algoritma  program  pada mikrokontroller.
Pada  tahap  awal,  dilakukan  penge-set-an (setting) id station (nama station ARG), set data waktu,  interval  pengiriman  data  serta  tingkat resolusi dari sensor yang ada pada ARG. Setting awal  pada  ARG  adalah  sesuai  dengan  interval waktu pengiriman data pada ARG yang ada pada stasiun  BMKG  yaitu  selama  60  menit  (1  jam) untuk tiap datanya. Setting data dapat dilakukan dengan mengirimkan pesan ke ARG yang akan dituju  dengan  format  yang  telah  ditentukan. Langkah berikutnya adalah membaca data pesan dari  server.  Jika  terdapat  pesan  masuk (command)  maka  ARG  akan  merespon  dengan mengirimkan informasi yang telah diperintahkan ke  server.  Selama  sistem  berjalan,  ARG  juga melakukan  pengitungan  jumlah  curah  hujan yang ditangkap oleh tipping-bucket . Data curah hujan  juga  ditampilkan  pada  LCD.  Apabila durasi  waktu  pengiriman  data  sudah  terpenuhi, maka  ARG  akan  mengirimkan  data  mengenai nomor  data,  id  ARG,  tanggal/  jam,  intensitas hujan  serta  kapasitas  baterai.  Program  tersebut akan  berjalan  secara  berulang  –  ulang  hingga sistem dimatikan.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN

## 4.1. Hasil Pengujian
Pengujian  awal  dilakukan  untuk  mencari tingkat  konsumsi  daya  pada  ARG.  pengujian dilakukan  dengan  alat  ukur  voltmeter  dan ampere meter yang ditunjukan pada Gambar 10.
Gambar 10.  Pengukuran  konsumsi  daya  pada ARG.
Dari  hasil  pengukuran  awal,  daya  yang dikonsumsi  oleh  ARG  adalah  3.29  V  tegangan serta 0.04 A Arus. Namun arus akan naik apabila proses pengiriman data sedang berlangsung. Hal tersebut  diakibatkan  oleh  modul  SIM900  yang menyerap  daya  lebih  tinggi  ketika  akan melakukan  proses  pengiriman  data  melalui jaringan SMS.
Pada pengukuran awal daya yang dihasilkan  oleh  panel  surya  20  watt  tanpa dilengkapi dengan MPPT dengan kondisi cuaca yang cerah (terik), mampu menghasilkan daya 3- 4 watt pada tegangan 22 V – 18 V (kisaran Arus sebesar 0,18 A – 0,24 A). Dengan menambahkan MPPT  Bq24650  dengan  penguturan  tegangan konstan  pada  titik  17,8  V,  dapat  meningkatkan produksi daya dari solar panel hingga 80% dari
daya yang dihasilkan tanpa MPPT yaitu sebesar 5,4-7,2 watt.
Gambar 11.  ARG diletakan diatas gedung untuk dilakukan uji coba.
Gambar  11  menunjukan  pengambilan  data dengan  menggunakan  panel  surya  dilakukan selama tiga hari. Dari hasil pengamatan selama 3 hari, data tegangan ditunjukan pada Gambar 12 :
Gambar 12.  Data  hasil  pengukuran  selama  3 hari.
Data  tersebut  diambil  dari  database  server yang  menerima  pengiriman  data  tegangan baterai setiap 60 menit. Dari data tersebut dapat diketahui  proses  awal  pengisian  baterai  dari solar panel adalah pukul 8:00 dan berakhir pada pukul 15:50. Selama waktu tersebut baterai terisi kembali  100%  pada  cuaca  cerah.  Pada  hari ketiga  terjadi  hujan  sehingga  pengisian  proses pengisian  baterai  terhenti  pada  pukul  12:00. Namun  kembali  melakukan  pengisian  ulang setelah hujan selesai berhenti.
Pada saat proses pengisian baterai berhenti, tegangan  baterai  kembali  normal  pada  teganga kerjanya  sebesar  6.6  V.  pada  saat  malam  hari,
tegangan  baterai  tetap  stabil  di  kisaran  6.6  V hingga 6.4 V. Sesuai dengan data sheet yang ada pada  baterai,  tegangan  ketika  baterai  habis adalah 5.5V.
Dari  data  tersebut  dapat  disimpulkan  ARG menggunakan  20  watt  solar  panel  yang dilengkapi  dengan  MPPT  mampu  memenuhi kebutuhan dayanya secara mandiri.
Gambar 13.  Pengujian  ARG  dengan  baterai 4200mAh tanpa panel surya.
Data  pengukuran  dengan  baterai  dengan kapasitas  4200mAh  tanpa  dilengkapi  dengan solar  panel  ditunjukan  pada  gambar  13, menunjukan ARG dapat bekerja selama 59 jam. Dengan  tegangan  kerja  sebesar  3.3  V,  maka dapat diperoleh konsumsi daya rata – rata ARG yaitu  kapasitas  baterai  dibagi  dengan  lamanya ARG  berjalan  dikalikan  dengan  tegangan kerjanya, sehingga :
𝑃 = 𝐶 𝑇 𝑥 𝑉 (2)

## 4,2 𝐴
59 ℎ𝑜𝑢𝑟 𝑥 3.3 𝑉 = 0,23𝑤𝑎𝑡𝑡/ℎ𝑜𝑢𝑟
P = Daya/hour (watt/hour) C = Kapasitas baterai (ampere/hour) T = Lamanya ARG berjalan (hour) V = Tegangan Kerja (V)

## 5. KESIMPULAN
Dari data yang telah diperoleh dari penelitian yang  telah  dilakukan,  dapat  diambil  beberapa kesimpulan:
1. Rancangan  ARG  dengan  menggunakan MSP430FR5969  sebagai  mikrokontroller, SIM900  sebagai  modul  komunikasi  dengan
memanfaatkan jaringan GSM melalui media pengiriman  data  via  SMS  dapat  bekerja dengan baik.
2. Konsumsi rata – rata daya ARG adalah 0.23 watt.
3. Dengan  menggunakan  panel  surya  sebesar 20  watt  yang  dilengkapi  dengan  MPPT  Bq 24650 mampu menghasilkan daya sebesar 5,4 watt hingga 7,2 watt.
4. Dari  hasil  yang  didapat  selama  3  hari pengujian serta data perbandingan konsumsi daya  rata  –  rata    ARG  dengan  daya  yang dihasilkan  oleh  panel  surya  sebesar  20  watt yang dilengkapi dengan MPPT, ARG mampu memenuhi  kebutuhan  energi  listrik  secara mandiri. Adapun saran untuk penelitian selanjutnya diantaranya: 1. ARG  dapat  dikembangkan  menjadi  AWS ( Automatic Weather System ) dengan menambahkan sensor yang dibutuhkan untuk pemantauan cuaca karena pada MSP430FR5969 masih tersedia banyak PIN input yang dapat digunakan.
2. ARG  dapat  dilengkapi  dengan  GPS  agar posisi dari ARG dapat dipantau dari server.
3. Kapasitas  baterai  dapat  ditambahkan  agar ARG  dapat  bertahan  lebih  lama  apabila kondisi cuaca tidak memungkinkan terjadinya  proses  pengisian  daya  pada baterai.
4. Apabila  dengan  penambahan  sensor  pada ARG menimbulkan peningkatan daya, maka perlu adanya penggunaan panel surya dengan kapasitas yang lebih tinggi.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] “A  history  of  rain  gauges”.  Ian Strangeways,  TerraData,  Wallingford, Oxfordshire  Volume  65,  Issue  5,  Wiley
Online  Library  Article  first  published online: 28 APR 2010. [2] R. A. Hodgkinson, T. J. Pepper and D. W. Wilson. “Environment Agency Evaluation of Tipping-bucket Rain Gauge Performance and Data
Quality”.
Environment Agency, Rio House, Waterside Drive, Aztec West, Almondsbury, Bristol, BS32 4UD United Kingdom. 2004. ISBN: 1 844 323 242. [3] Yuwono  T,  Ruzaldi,  Ismail  M.  “Rain
Gauge Development Employing
Bluetooth and RF Modem”. International Conference  on  Space  Science  and Communication  (IconSpace).  Penang Malaysia  12-13  July  2011. International Conference  on  Consumer  Electronics , 2008, pp. 1-2.
[4] Yu  Ying,  Zhou  Lei,  Min  Hao.  “Design and VLSI Implementation of an asynchronous low-power
microcontroller”.  ASIC  &  Syst.  State- Key, Fudan University. Shanghai, China. 23-25 Oct 2001. ISBN: 0-7803-6677-8.
[5] “Measurement of Precipitation”. http://www.jma.go.jp/jma/jmaeng/jmacen ter/ric/material/1_Lecture_Notes/P6- Precipitation.pdf (Access at 2 may 2015).
[6] Arnost  and  MULLER.  “ANALYZING RADAR-MEASURED  RAINFALL  VS. RAIN  GAUGES”.  Department  of
Mapping  and  Cartography,  Faculty  of Civil  Engineering,  Czech  Technical University. Praha, Czech. 2011 [7] (MSP-EXP430FR5969 LaunchPad™ Development Kit. http://www.ti.com/lit/ug/slau535a/slau53 5a.pdf (Access at 2 may 2015).
[8] “Optimized  Power  Scheme  for  High-
Efficiency,  Low-power  Dissipation  and Best RF Performance”. MICREL.
[9] Shahidi,  S.  Gaffar,  A,  Salim  K.  M. “Design  and  Implementation  of  digital energy meter with data sending capability using  GSM  network”.  Advances  in Electrical Engineering (ICAEE) International Conference. Dhaka Bangladesh 2013. [10]  Ario W, S. “Analysis Energy
Consumption  Using  Based  on  Speed  of Electrical  Vehicle”.  Dept.  Machine Engineering  Faculty  of  Engineering University of Indonesia Jakarta. July 2012
[11]  Weranga  K.  S.  K.  “Smart  metering  for next  generation  energy  efficiency  & conservation’.  Innovative  Smart  Grid Technologies  –  Asia  (ISGT  Asia),  IEEE Tianjin China. 21-24 May 2012.
[12]  Hazlif  Nazif,  Muh.  Imran  Hamid, Pemodelan  Dan  Simulasi  PV-Inverter Terintegrasi  Ke  Grid  Dengan  Kontrol Arus  “Ramp  Comparison  Of  Current Control”. Jurnal Nasional Teknik Elektro
(National Journal Of Electrical
Engineering. Universitas Andalas, Padang 2015.
[13]  Jeff  F,  Application  Report:  Using  the bq24650  to  Charge  LiFePO4  Baterai. PMP-Portable  Power  (SLUA565),  Texas Instruments. August 2010.
[14]  Dallago  E,  Libarele  A,  Miotti  D,  Venchi G.  “Direct  MPPT  algorithm  for  PV sources with only voltage measurements”. Power  Electronic  Laboratory,  Dept.  of Electrical  Computer  and  Biomedical Engineering University of Pavia. Italia. 6 January 2015. ISSN: 0885-8993.

## Biodata Penulis
Zaenal  Arifin, staff  pengajar  di  Universitas Dian Nuswantoro Semarang. Menempuh pendidikan  S1  Teknik  Elektro  di  Universitas Dian  Nuswantor  Semarang  dan  menempuh pendidikan  S2  Electrical  dan  Computer Engineering  di  South  China  University  of Technology (SCUT).
Helmy Rahadian, staff pengajar di Universitas Dian Nuswantoro Semarang. Menempuh pendidikan S1 Elektronika dan Instrumentasi di Universitas  Gajah  Mada  dan  menempuh pendidikan S2 Teknik Isntrumentasi di Universitas Gajah Mada.