## Rancang Bangun dan Uji Coba Lapang Pengukur Angin di Atas Platform Coastal Buoy
1 Billi R. Kusumah *) , 2 Indra Jaya **) , & 2 Wayan Nurjaya ***) ,
1 Program Studi Ilmu dan Teknologi Kelautan Program Sarjana IPB
2 Departemen Ilmu dan Teknologi KelautanFPIK IPB Kampus IPB Dramaga Bogor billirifa@gmail.com *) , indrajaya123@gmail.com **) , wayan.itkipb@yahoo..com ***)

## Abstrak
Sistem kerja instrumen dirancang untuk mengukur data  angin  yang  dapat  diuji  coba  pada platform coastal  buoy berbasis  data logger .  Sistem  elektronik  terdiri  atas Arduino  Promini sebagai  pusat pengendali  yang memerintahkan  sensor  untuk  mengukur  dan  memerintahkan  modul transmitter untuk  mengirimkan data, kemudian diterima oleh reciever yang didalamnya terdapat  mikrokontroler pengendali  yaitu, Arduino  Promini sebagai  pusat  pengendali  penyimpanan  data.  Hasil uji kinerja instrumen  menunjukan nilai  korelasi  alat  pengukur  kecepatan  angin  adalah  0.87  dengan  RMSE 0.51  m/s,  korelasi  alat  pengukur  arah  angin  sebesar  0.99  dengan  RMSE  2.55  derajat  mata angin.  Hasil  uji coba lapang di Perairan Teluk Pelabuhan Ratu diperoleh kecepat an angin berkisar 0.5 – 5.7 m/s didominasi angin timur.
Kata  Kunci:  Instrumen, angin, rancang bangun, uji kinerja.

## 1 Pendahuluan
AWS  merupakan  instrumen  yang  dirancang  untuk  mengukur  data  cuaca  seperti  a ngin, kemudian  diproses  secara  otomatis  dengan  sistem  pengamatan  yang  lebih  mudah  [1]. Keterbatasan  instrumen  pengukur  angin,  seperti  Automatic  Weather  Station  (AWS)  di perairan  pantai  Indonesia  mengakibatkan  sulit  memperoleh  data  cuaca  dalam  basis  data logger.
Penerapan  sistem  transmisi  semi  automatis  dengan  memanfaatkan  gelombang  radio sangat  bermanfaat  untuk  memperoleh  data  dengan  cepat,  hemat  dan  praktis.  Namun sayangnya,  perkembangan  ini  belum  diikuti  secara  baik  di  Indonesia,  sehingga  perlu dilakukan pengembangan  yang lebih lanjut mengenai rancang bangun instrumen pengukur angina dan mendapat informasi uji kinerjanya.

## 2 Diskusi

## 2.1 Mekanik Instrumen
Desain  dimensi  mekanik  alat  ukur  dibuat  agar  proses  pembuatan  alat  lebih  mudah dilakukan  Proses  perancangan  dimensi  dibuat  menggunakan  bantuan  software  SketchUp. Gambar 1 adalah desain dimensi dari alat ukur kecepatan angin
Gambar 1 Dimensi alat ukur kecepatan angin
Gambar  1  menggambarkan  mekanik  untuk  dudukan  sensor  kecepatan,  Berbahan  dasar PVC dan bearing yang berfungsi untuk mempermudah pergerakan cup angin.
Gambar 2 adalah desain dimensi dari alat ukur arah angin
Gambar 2 Dimensi alat ukur arah angin
Gambar  2  menggambarkan  dudukan  untuk  sensor  arah  angin.  Berbahan  dasar  PVC paralon.  Dudukan  terbagi  menjadi  dua,  di  dalam  bagian  pipa  atas  terdapat  sensor  yang terhubung  ke  pipa  bagian  bawah  dengan  menggunakan  alumunium  pipa,  bagian  atas ditambahkan  plat  mika  plastik  dan  pipa  alumunium  yang  berfungsi  untuk  mengatur  gerak sensor yang diakibatkan oleh angin, di dalam pipa bagian bawah terdapat bearing sebanyak dua buah untuk menyangga alum unium pipa agar pergerakan antara  pipa PVC bagian  atas dan bawah  lebih mudah
Mekanik  instrumen  pengukur  angin  terbagi  menjadi  3  bagian  utama.  Pertama  adalah  alat pengukur data, kedua adalah transmitter, dan ketiga adalah  receiver

## Gambar 3 Hasil rancang bangun instrument
Mekanika alat ukur (Gambar 3) dirancang agar kedap dari air yang dapat merusak kinerja sensor.  Cup  counting  pada  alat  pengukur  kecepatan  angin  adalah  setengah  dari  bola plastik.  Plat  tipis  pada  alat  pengukur  arah  angin  berbahan  dasar  dari  plastik  tupper  ware dan selongsong pipa kecil berbahan dasar dari almunium pipa. Boks  transmitter dibuat dua dalam  lapis,  agar  terhindar  dari  air  hujan,  debu,  dan  panas  matahari  langsung.  Boks reciever  diletakan  di  dalam  ruangan  sehingga  konsep  perancangan  yang  tidak memperhatikan kekedapan terhadap air hujan.

## 2.2 Elektronika Instrumen
Hubungan  fungsional  elektronik  instrumen (Gambar  4)  dijadikan  dasar  dalam  pembuatan sirkuit elektronik  yang  diawali  dengan pembuatan skematik rangkaian elektronik
Gambar 4 Hubungan fungsional elektronika instrumen
Berdasarkan  penempatan  komponen,  sistem  elektronika  dikelompokan  menjadi  dua bagian  yakni  rangkaian  transmitter  dan  receiver.  Sedangkan  secara  garis  besar pengelompokan  sistem  elektronika  dibagi  kedalam  rangkaian  utama,  rangkaian  sensor, rangkain transceiver dan rangkaian data logger.

## 2.2.1 Rangkaian utama
Arduino berfungsi sebagai otak dari semua komponen lainnya yang akan menginstruksikan perintah  yang  dibuat.  Arduino  promini  pada  transmitter  terhubung  dengan  sensor  dan modul  pengirim  data.  Pada  reciever  arduino  uno  terhubung  dengan  ethernet  shield  dan arduino promini terhubung dengan RTC, micro SD dan led indikator.

## 2.2.2 Rangkaian sensor
Tiga  sensor  terhubung  dengan  arduino  promini  transmitter.  Opto  rotary  terhubung  dengan pin  D2  (Pin  Digital),  HMC5883L  terhubung  dengan  pin  A4  dan  A5  (I2C)  dan  DHT-11 terhubung dengan pin D3 (Pin Digital).

## 2.2.3 Rangkaian transciever
Rangkaian  ini  menggunakan  modul  KYL200,  berfungsi  untuk  mengirim  dan  menerima. Modul  KYL200  terhubung  dengan  IC  konverter  MAX3232.  Rangkain  ini  terdapat  pada transmitter dan reciever.

## 2.2.4 Rangkaian data logger
Rangkaian  data  logger  dikontrol  oleh  arduino  promini,  berfungsi  untuk  menyimpan  data (sensor  &  waktu).  RTC  DS1307  terhubung  dengan  pin  A4  dan  A5  (I2C),  micro  SD  Adapter terhubung  dengan  pin  D11  (miso),  D13  (SCK),  D12  (mosi),  dan  D10   (cs)  jalur  komunikasi (SPI) dan led indikator terhubung pada pin D9.

## 2.2.5 Rangkaian sumber energi
Sumber energi utama rangkaian pada transmitter adalah Power Bank Optim uz 3000 mAh, baterai  terhubung  dengan  solar  panel.  Sumber  energi  utama  rangkaian  pada  reciever adalah  adapter  5  volt  1  ampere  untuk  mengubah  ac  to  dc  yang  digperlukan  untuk  energi pada rangkaian data logger

## 2.3 Perangkat Lunak Instrumen
Perangkat lunak AWS dirancang agar dapat menjalankan   fungsi  seperti,  membaca  data mengirim  data,  menerima  data,  menulis  data  (sensor  dan  waktu),  dan  melakukan penyimpanan data.  Alur  perangkat  lunak  dapat  dilihat  pada Gambar 5 dan 6
Gambar 5 Diagram alir perangkat lunak transmitter
Gambar 6 Diagram alir perangkat lunak receiver

## 2.4 Kalibrasi Sensor Kecepatan Angin
Sensor  yang  digunakan  untuk  mengukur  kecepatan  angin  adalah  sensor  Opto  Rotary. Penerapannya  pada  AWS,  untuk  mengukur  kecepatan  angin  menggunakan  sistem  cup counting. Berikut (Gambar 7) hasil kalibrasi sensor kecepatan angina
Gambar 7 Hasil kalibrasi, (a) compare data pengukuran, (b) fit hasil kedua pengukuran
Perbedaan  rata-rata sebesar 3.66 m/s dan perbedaan maksimum sebesar 5.80 m/s. Hasil fit  dari  kedua  manghasilkan  persamaan  regresi  Y=1.3353X  dengan  R2=0.98  (Gambar  10 (b)).

## 2.5 Sensitifitas Mekanik Pengukur Angin
Sensitifitas kinerja mekanik pengukur arah angin, dengan memberi tiupan angin mulai dari 0.03 m/s sampai 1.34 m/s.
Tabel 5 Data uji sensitifitas mekanik penunjuk arah angin
Kecepatan (m/s) Reaksi 0.03 Tidak bergerak 0.28 Tidak bergerak 0.49 Tidak bergerak 0.61 Tidak bergerak 0.84 Sedikit Bergerak 1.13 Bergerak 1.34 Bergerak
Berdasarkan  Tabel 5, mekanik pengukur arah angin bekerja dengan baik ketika menerima angin diatas 1 m/s, dan kurang baik ketika angin dibawah 1 m/s.

## 2.6 Uji Akurasi Sensor Pengukur Angin
Uji akurasi dilakukan dengan membandingkan hasil pengukuran instrumen rancang bangun dengan instrumen yang digunakan oleh BMKG Dramaga Cifor.

## 2.6.1 Alat Pengukur Kecepatan Angin
Gambar 11 merupakan hasil pengukuran kec. angin.
Gambar 8 Uji akurasi kecepatan angin, (a) pola hasil kedua pengukuran, (b) nilai perbedaan (galat) data
Perbedaan  hasil  pengukuran  berkisar  (-2.38)  hingga  2.12  m/s  dengan  nilai  RM SE  0.51 m/s. Berdasarkan hasil uji statistika dengan uji -t pada selang kepercayaan 0. 05, diketahui bahwa nilai t- hitung sebesar (0.32) lebih kecil dari nilai t -tabel sebesar 1.97.
Gambar 9 Fit data kec. angin hasil kedua pengukuran
Gambar 9 menunjukan hasil pencocokan kedua pengukuran dengan model analisis  regresi linear diperoleh nilai R2=0.87 atau R = 0.93.

## 2.6.2 Alat Pengukur Arah Angin
Gambar 1 0  merupakan hasil pengukuran  arah angin.
Gambar 10 Uji akurasi arah angin, (a) pola hasil kedua pengukuran, (b) nilai perbedaan
(galat) data
Perbedaan  hasil  pengukuran  berkisar  (-20)  hingga  2.89 ﹾ dengan  nilai  RMSE  2.56 ﹾ . Berdasarkan  hasil  uji  statistika  dengan  uji-t  pada  selang  kepercayaan  0.05,  diketahui bahwa nilai t-hitung sebesar (0.01) lebih kecil dari nilai t-tabel sebesar 1.97
Gambar 11. Fit data arah angin hasil kedua pengukuran
Gambar  11  menunjukan  hasil  pencocokan  kedua  pengukuran  dengan  model  analisis regresi linear diperoleh nilai R2=0.99 atau R = 0.99.

## 2.7 Media Peyimpanan Data
Media  penyimpanan  data  yang  digunakan  adalah  micro  SD  card  dengan  kapisitas penyimpanan  sebesar  2  GB.  Waktu  peyimpanan  data  bergantung  pada  pengiriman  data oleh transmiter.  Pada saat  uji akurasi sensor interval pengiriman adalah per 1 detik, maka interval  peyimpanan  data  adalah  1  detik.  Sedangkan  pada  saat  uji  coba  lapang  di  Teluk Pelabuhan Ratu,  Sukabumi interval  yang digunakan adalah 15 menit. Contoh  peyimpanan data
Gambar 12 Contoh hasil peyimpanan data
Ketika  micro  SD  terdeteksi  maka  secara  otomatis  membuat  file  “SETTING.INI”  dan menyimpan  data  serta  waktu  berupa  file  dengan  ekstensi  *.txt.  Nama file adalah  data tanggal,  sedangkan  isi  file  berupa  data  waktu  dan  data  sensor  dengan  pemisah  data menggunakan spasi (Gam bar 12).

## 2.8 Uji Lapang di Tl. Pelabuhan Ratu
Pengukuran  dilakukan  mulai  22  Agustus  2015  pukul  10:45:12  WIB  sampai  dengan  29 Agustus 2015 pukul 15:15:12 WIB dengan interval pencuplikan data 15 menit.
Gambar 13 Pola sebaran kecepatan dan arah angin Teluk Pelabuhan Ratu Berdasarkan  hasil  pengukuran  (Gambar  13),  kecepatan  angin  di  wilayah  perairan  Teluk Pelabuhan  Ratu  berkisar  antara  0.5  s/d  5.7  m/s  den gan  pola  sebaran  angin  hampir menyeluruh ke semua bagian arah mata angin. Pada saat kecepatan angin berkisar 0.5 s/d 2.1 m/s arah mata angin menyebar antara 54 s/d 126 derajat mata angin, saat kecepatan angin berkisar 2.1 s/d
3.6 m/s arah mata angin menyebar antara 342 s/d 162 derajat mata angin  dan 198 s/d 270  derajat  mata  angin,  dan  saat  kecepatan  angin  berkisar  3.6   s/d  5.7  m/s  arah  mata angin menyebar antara 234 s/d 54 derajat mata angin

## 3 Kesimpulan
Uji kalibrasi sensor pengukur kecepatan angin menunjukan  linearitas baik dengan korelasi 0.98.  Uji  sensitifitas  mekanik  alat  pengukur  arah  angin  berfungsi  dengan  baik  pada kecepatan  angin  diatas  1  m/s.  Hasil  uji  coba  perbandingan  antara  alat  penelitian  dengan alat  BMKG  Cifor  menunjukan  sensor  kecepatan  memiliki  nilai  korelasi  sebesar  0.93  dan nilai galat (-2.38) – 2.12 m/s dengan nilai RM SE 0.51 m/s, sensor penunjuk arah memiliki nilai  korelasi  sebesar  0.99  dan  nilai  galat  (-20)  –  2.89  derajat  mata  angin  dengan  nilai RMSE 2.56 derajat mata angin.

## 4 Nomenklatur
RMSE = root mean square error
R
=  korelasi
R 2 =  determinasi

## 5 Daftar Pustaka
[1] Balitklimat, “Pengembangan AWS dan AWRL Telemetri ,” Laporan akhir, 2010.
[2] Hobby M, Gascoyne M, Marsham  JH, Bart M,
[3] Allen C,  S  Englstaedter, Fadel  DH,  Gandela A, Lane R, Mcquaid JB et  alk, “The Fennec Automatic  Weather  Station  (AWS)  Network:  Monitoring  the  Saharan  Climate  System ,” Journal Atmospheric and  Oceanic Technology, vol. 30 (4),  hal. 709 – 724,  ISSN 0739- 0572, 2013.
[4] Hubbard  K,  Rosenberg  N,  Nielsen  D,  “Automated  Weather  Data  Network  for Agriculture,”  Journal  Water  Resources  Planning  and  Management,  vol.  109  (3),  hal. 213–222, 1983.
[5] Isnianto  HI,  Puspitaningrum  E,  “Rancang  Bangun  Sistem  Telemetri  dan  Monitoring Stasiun  Cuaca  Secara  Nirkabel  Berbasis  Mikrokontroler,”  Seminar  Nasional Informatika, ISSN: 1979-2328, 2012.
[6] Itenfisu  D, Wright  R. 2006. Real Time Weather Station  Data Quality Control Procedures in the Alberta Agriculture  Drought Monitoring Network (AGDMN),” World  Environmental and Water Resource Congress, pp. 1-4, 2012.
[7] Matondang, Nurhafifah, “AkuisisiData  Kecepatan  Angin  Dari  Perangkat  Weather Station  Berbasis  Universal  Serial  Bus  (USB)  Dengan  Antarmuka  Visual,”  Jakarta:  UPN Veteran Jakarta, 2011.
[8] Palupi D, Uji Karakteristik Dimensi Sensor (Jari- jari) dari Cup Counter Weather Station,” Bogor: Institut Pertanian Bogor, 2006.
[9] Shafiyyah,  “Jenis  fungsi  dan  kalibrasi  beberapa  alat  ukur  di  laboratorium  konversi energi teknik mesin,” 2009.
[10] Sharan  RV,  “Development  of  a  Remote  Automatic  Weather  Station  with  a  PC -based
Data  Logger,”  Journal  of  Hybrid  Information  Technology,  vol.  7-  no.1  (2014),  pp.  233-
240, 2014.
[11] Susmitha  P,  Sowmyabala  G,  “Design  and  Implementation  of  Weather  Monitoring  and Controlling  System,”  Journal  of  Computer  Applications,  vol.  97-  no.3,  ISSN  0975  – 8887, 2014.