## Pembuatan Perangkat Keras dan Analisis Sub-Metering Konsumsi Energi Listrik
Ratna Nataliani, FX Nugroho Soelami dan Eko Mursito Budi Program Studi Teknik Fisika – Institut Teknologi Bandung
Email:

## Abstrak
Pemantauan  konsumsi  energi  merupakan  langkah  manajemen  energi  yang  efektif  dalam penghematan  energi  untuk  jangka  panjang.  Pada  penelitian  ini  dilakukan  pengembangan  pada perangkat  keras  dari  sistem  pemantauan  untuk sub-metering . Sub-metering yang  dilakukan membagi pengukuran menjadi tiga masukan arus: stop kontak, air conditioner , dan penerangan ambient yang diakuisisi dengan menggunakan sensor arus non-invasive SCT-013-030. Data yang diakuisisi  kemudian  diolah  oleh  Arduino  UNO,  disimpan  ke  SD  Card  menggunakan  Arduino Ethernet  Shield  dalam  keadaan offline untuk  kemudian  dibuat  model  hariannya  dari  hasil pengukuran sebagai referensi pengukuran real-time .
Untuk  memverifikasi  model  harian  dari  hasil  pengukuran harian  pengguna  energi,  dibuat  suatu pemodelan konsumsi listrik base-line yang diasumsikan hemat. Tampilan real-time yang nantinya dibandingkan  dengan  pemodelan  harian  diunggah  ke  jaringan  Ethernet  dengan  menggunakan Arduino  Ethernet  Shield  dalam  keadaan online .  Sedangkan  perangkat  lunak  yang  digunakan untuk  menampilkan  di  halaman  web  adalah  RGraph,  sebuah  perpustakaan  grafik  bebas  pakai berbasis javascript .
Pada  akhirnya,  penelitian  ini  dapat  melahirkan  rekomendasi-rekomendasi  penghematan  yang spesifik.  Hasil  penelitian  ini  juga  menunjukkan  bahwa  sensitivitas  sensor  arus  dan signal conditioner yang  digunakan  adalah  sebesar  7  Ampere/bit  dengan  tingkat  presisi  yang  baik. Sedangkan resolusi, yakni perubahan 1 bit pada signal conditioner terjadi apabila ada perubahan setiap 0, 15 Ampere pada sensor arus.
Kata Kunci: Pemantauan Energi, Sub-metering, SCT-013-030, Arduino, Arduino Ethernet Shield, Real-time, RGraph

## 1 Pendahuluan
Dalam  menghadapi  krisis  energi,  salah  satu  langkah  strategis  yang  harus  dilakukan adalah  manajemen  energi.  Manajemen  energi  pun  memiliki  percabangan  yakni konservasi  dan  pemantauan.  Pada  penelitian  ini  cabang  pemantauan  akan  lebih dipersempit pada sub-metering . Pelibatan teknologi dapat berimbas pada penghematan yang  jauh  lebih  besar.  Teknologi  yang  terintegrasi  merupakan  salah  satu  cara  efektif melakukan  penghematan  energi  maupun  biaya.  Bangunan  yang  dilengkapi  sistem- sistem  manajemen  cerdas  dan  terintegrasi  dapat  menghasilkan  penghematan  yang cukup  signifikan.  Teknologi  membuat  kita  mampu  mengoperasikan  bangunan  dengan lebih  efisien,  menghasilkan  ruangan-ruangan  produktif  dan  sehat  untuk  pekerja  dan pengunjung dan menciptakan lingkungan yang aman.
Penelitian  ini  merumuskan  bahwa  perlu  untuk  membuat  suatu  sistem  pemantauan konsumsi  energi  yang  lebih  spesifik (sub-metering) terhadap  jenis  beban  listrik  agar dapat  dilakukan  tindak  lanjut  penghematan  yang  lebih  spesifik  pula.  Penelitian  ini mengakuisisi  dan  mengolah  masukan  analog  berupa  besaran  arus  listrik  dari pemakaian lighting , air-conditioning ,  dan power  supply  AC ,  serta  tegangan  listrik bangunan  untuk  menampilkan  daya  dari  masing-masing  konsumsi  listrik  bangunan. Perangkat  lunak  untuk  mengakuisisi  data  analog  adalah  Arduino  UNO  dengan
mikrokontroler  ATmega-328.  Perangkat  lunak  untuk  menghubungkan  sistem pemantauan ke jaringan Ethernet dan menyimpan data dalam SD Card adalah Arduino Ethernet  Shield.  Perangkat  lunak  untuk  menampilkan  grafik  radar  pada  halaman  web adalah RGraph.
Obyektif utama dari penelitian ini adalah membuat alat pemantau untuk sub-metering listrik  dan  dapat  ditampilkan  secara real-time .  Sehingga  dengan  alat  ini,  pengguna dapat mengidentifikasi konsumsi listrik dan dapat segera melakukan penghematan dari informasi yang ditampilkan secara real-time .

## 2 Teori Dasar
Pemantauan sub-metering konsumsi  energi  merupakan  kegiatan  pengukuran  dan pengumpulan data energi yang spesifik untuk suatu area tertentu. Dalam penelitian ini, sub-metering digunakan  untuk  implementasi  pengukuran  dengan  membagi berdasarkan  jenis  beban.  Dengan  perangkat-perangkat  keras  yang  telah  didesain sesuai, maka  devais sub-metering dapat langsung mengakuisisi  dan  memproses  data penggunaan  energi  yang  terbaca  pada  masing-masing  beban  yang  diukur.  Hasil pembacaan ini pula dapat diakses pada jarak jauh dengan integrasi tertentu, sehingga memudahkan pengguna untuk memantau konsumsi energinya. Sistem pemantauan ini akan  sangat berfungsi ketika  biaya  konsumsi energi  bergantung pada jumlah  fasilitas yang tersedia dan jumlah pengguna energi. Berdasarkan penelitian lebih  lanjut terkait teknologi  ini  dalam  beberapa  tahun  terakhir, sub-metering merupakan  pilihan  yang efektif untuk mengatur energi dan biaya penggunaannya.
Pengolahan  data  dalam  penelitian  menggunakan  Arduino  UNO  dengan  mikrokontroler ATmega-328. Arduino merupakan suatu platform prototipe elektronik bebas pakai dari Italia.  Arduino  terdiri  atas  perangkat  lunak  dan  keras  yang  fleksibel  dan  mudah digunakan. Apabila Arduino dihubungkan ke suatu sensor atau lebih untuk mendeteksi perubahan di lingkungan, data yang dibaca akan diolah di dalam Arduino sesuai dengan perintah  pemrograman.  Sedangkan  untuk  menghubungkan  dengan  jaringan  Ethernet, penelitian  ini  menggunakan Arduino Ethernet Shield. Shield ini  merupakan  salah satu jenis shield (papan kerja) Arduino yang memiliki fungsi utama menghubungkan Arduino ke jaringan Ethernet. Papan kerja ini berbasis pada Chip Ethernet Wiznet W5100 yang menyediakan suatu susunan jaringan (Internet Protocol/IP) yang dapat beroperasi pada TCP  maupun  UDP.  Cara  menggunakan  Arduino  Ethernet  Shield  ini  adalah  dengan menanamkannya  di  atas  Arduino  yang  telah  diprogram.  Sedangkan  untuk menghubungkan Arduino ke jaringan Ethernet, digunakan kabel socket RJ45 dari port luaran pada papan kerja. Papan kerja ini juga dilengkapi dengan slot untuk kartu micro- SD yang  dapat  digunakan  untuk  menyimpan  data  hasil  pengukuran  yang  masuk  ke Arduino tanpa harus menghubungkannya ke jaringan Ethernet.
Hasil  pengolahan  data  Arduino  kemudian  disimpan  di  server  yang  kemudian ditampilkan secara real-time lewat web browser dalam bentuk grafik radar. Perangkat lunak  yang  digunakan  untuk  menampilkan  grafik  radar  ini  adalah  RGraph.  RGraph adalah  suatu  perpustakaan  grafik  untuk  HTML5  yang  menggunakan  tag  canvas (<canvas></canvas>) HTML5. Tag ini digunakan untuk menggambar grafik—dan hanya memuat  rgrafik—  dengan  melakukan  scripting,  biasanya  skrip  yang  digunakan  adalah JavaScript.

## Gambar 1 Arduino UNO dan arduino ethernet shield

## 3 Rancangan
Pemantauan sub-metering konsumsi energi listrik ini dilakukan dengan mempartisi data masukan  sesuai  dengan  beban  listrik  yang  masukannya  dari  sumber  listrik  yang dialirkan  lewat  MCB  ( Miniatur  Circuit  Breaker )  yang  diinstal  khusus  untuk  masukan listrik  kamar  tersebut.  Rancangan  keseluruhan  sistem  ditampilkan  dalam  gambar berikut.
Gambar 2 Skema keseluruhan sistem komunikasi data
Dalam  penelitian  ini,  beban  ruangan  yang  diukur  dibagi  menjadi  tiga: Power Supply (Stop kontak), Lighting (Pencahayaan), dan Air Conditioner . Alat pengukur data analog yang dirancang memiliki tiga buah sensor arus dan sebuah sensor tegangan. Keempat sensor  ini  merupakan  antarmuka  alat  ukur  dengan  obyek  ukur.  Data  hasil  akuisisi ini kemudian  menjadi  masukan  analog  yang  diteruskan  ke  Arduino  melalui  masukan analog  yang  tersedia.  Selain  pada database server,  data  historis  (data  hasil  akuisisi) juga  dapat  disimpan  dalam  SD  Card  (SDC)  yang  tersedia  pula  slotnya  pada  Arduino Ethernet Shield. Dari shield ini, dibutuhkan soket kabel RJ45 untuk menghubungkannya ke jaringan Ethernet. Kemudian data hasil akuisisi disimpan di basis data server. Untuk menampilkannya  dalam  halaman  web  secara real-time ,  dibutuhkan  pemrograman berbasis  JavaScript  untuk  menghasilkan  tampilan  yang  dinamis.  Dalam  penelitian  ini, perangkat  lunak  yang  digunakan  untuk  menampilkan  hasil  pemodelan  berupa  grafik radar—sebagai  data  referensi—dan  hasil  pengukuran real-time adalah  RGraph. Penelitian ini menggunakan tiga buah sensor untuk membaca keadaan masing-masing arus dan sebuah sensor tegangan yang membaca keadaan tegangan masukan.
Rangkaian seperti terlihat pada Gambar 3 memiliki tujuan untuk memberikan keluaran V rms dan I rms dari beban yang akan diukur. Pengukuran besaran arus listrik dalam hal ini menggunakan  sensor non-invasive SCT-013-030 yang dihubungkan  dengan  rangkaian
pembagi tegangan yang terdiri atas dua buah resistor 10 kΩ. Di samping kedua resistor, ada pula sebuah kapasitor  100 μF yang berfungsi untuk menurunkan tegangan ripple dari  masing-masing  sensor  dalam  skema  di  atas.  Pin  analog  1,  2,  dan  3  merupakan jalur  masuk  untuk  keluaran  rangkaian  pengukur  arus.  Sedangkan  pin  analog  5 merupakan jalur masuk untuk keluaran rangkaian pengukur tegangan.
Gambar 3 Rangkaian listrik untuk alat ukur data arus dan tegangan

## Gambar 4 Diagram kerja arduino
Library EmonLib.cpp dan EmonLib.h digunakan apabila masukan analog yang diaktifkan untuk masukan analog masing-masing arus dan tegangan hanya berjumlah satu. Dalam metode sub-metering , tentunya masukan analog untuk arus yang diaktifkan jumlahnya lebih dari satu. Dalam penelitian ini dibuat tiga masukan analog. Sehingga, penggunaan pin masukan analog yang berjumlah lebih dari satu ini mengharuskan untuk melakukan modifikasi pada kedua library tersebut.
Modifikasi  yang  dilakukan  pada  kedua library adalah  penduplikasian  variabel-variabel atau  fungsi-fungsi  yang  berhubungan  dengan  pengukuran  arus.  Jumlah  variabel  dan fungsi yang dibuat harus minimal sama dengan jumlah jenis bebas masukan arus yang ingin  diakuisisi.  Dengan  modifikasi  yang  dilakukan,  Arduino  dapat  membaca  dan menampilkan keluaran untuk tiga jenis masukan analog berupa arus listrik. Sedangkan untuk masukan analog berupa tegangan tidak perlu melakukan duplikasi, karena hanya dibutuhkan satu masukan analog sesuai dengan template yang ada.
Hal penting dari pengolahan data historis ini adalah menghasilkan tampilan identifikasi yang mudah dimengerti oleh pengguna. Sedangkan tampilan dalam bentuk grafik radar membuat  pemantauan  dapat  dilakukan  secara  bersamaan  antara  beban-beban  yang ada. Pengolahan data ini akan menghasilkan nilai-nilai yang menjadi batas dari daerah “Hemat”, “Rata-rata”, dan “Boros” seperti gambar berikut.

## Gambar 5 Diagram identifikasi konsumsi listrik
Untuk  mendefinisikan  karakteristik  alat  ukur  ini,  dilakukan  dua  perhitungan karakterisasi statik yakni sensitivitas dan resolusi. Sistem alat ukur yang dikarakterisasi adalah bagian sensor dan pengondisi sinyalnya, yaitu sensor arus dan Arduino seperti dalam Gambar 6 berikut.
Gambar 6 Bagian sensor (sensor arus) dan pengondisi sinyal (arduino UNO)
1. Sensitivitas
Sensitivitas merupakan perbandingan perubahan keluaran sistem terhadap perubahan masukan  sistem.  Masukan  dari  sensor  arus  dengan range 0-30  Ampere  dikonversi menjadi range bit  pada  keluaran  Arduino.  Jika  pada  masukan  sensor  arus  0  A  setara dengan keluaran sensor arus pada 0 V, maka masukan sensor arus 30 A setara dengan keluaran sensor arus pada 1 V. Sehingga dalam satuan bit:
Batas atas:
Batas bawah:

## 2. Resolusi
Resolusi  merupakan  perubahan  nilai  terkecil  masukan  pengukuran  yang  memberi respon pada keluaran pengukuran. Dalam sistem pengukuran ini, respon pada keluaran terjadi  pada  setiap  perubahan  1  bit  pada  Arduino.  Namun  karena  masukan  tegangan maksimun dari sensor arus ke Arduino hanya 1 V—yaitu seperlima maksimum masukan
Arduino,  5  V—  nilai  maksimum  keluaran  dari  Arduino  pun  bukan  1023  bit,  melainkan seperlimanya, atau sebesar 205 bit.
Sehingga  untuk  menghasilkan  perubahan  pada  keluaran  Arduino  sebesar  1  bit dibutuhkan perubahan minimum 0,15 Ampere pada masukan sensor arus.
Selain  karakterisasi  di  atas,  dilakukan  pula  plotting  kalibrasi  dengan  melakukan pengukuran  pada  dua  buah  lampu  pijar  dan  hasilnya  adalah  sensor  dan  pengondisi sinyal memiliki presisi yang baik.

## 4 Hasil dan Analisis
Gambar 7 Alat akuisis data untuk sub-metering
Gambar  7  adalah  alat  hasil  penelitian  yang  digunakan  untuk  mengakuisi  data sub- metering .  Kemudian  sebagai  perbandingan  data  yang  diakuisisi,  penulis  membuat pemodelan konsumsi listrik dari pengguna yang berdasarkan kebiasaan yang terpantau oleh staf pekerja di Hotel Sheraton dan asumsi-asumsi penggunaan listrik. Pencuplikan data ini juga melibatkan data tegangan, namun data hasil pengukuran tegangan tidak terakuisisi  dengan  baik.  Namun  hal  ini  tidak  menjadi  masalah  karena  sistem  suplai tegangan  yang  digunakan  pada  Hotel  Sheraton  menggunakan  stabilisator capacitor bank , sehingga  tegangan  masukan  ke dalam kamar hotel relatif  stabil  pada  nilai  215 Volt.  Diketahui  pula  dari  staf engineer hotel  bahwa  nilai cos φ  bangunan  relatif  stabil pada  angka  0,99.  Pemodelan  ini  disebut  dengan  pemodelan base-line ,  yang menghasilkan grafik seperti terlihat pada Gambar 8.
Gambar 8 Pemodelan konsumsi listrik base-line

## 4.1 Analisis Konsumsi Listrik pada Power Supply
Gambar 9 Pemodelan konsumsi power supply pada hari kerja dan akhir pekan
Konsumsi listrik dari power supply AC baik di hari kerja maupun akhir pekan, ternyata konsumsi listrik yang dilakukan oleh pelanggan berada di daerah minimum pemodelan base-line .  Pada  grafik  penggunaan  pelanggan,  kenaikan  nilai  konsumsi  listrik  hanya terjadi pada malam hari. Waktu ini diperkirakan merupakan saat pelanggan kembali ke kamar  hotel  setelah  beraktivitas  seharian  di  luar  kamar.  Konsumsi  energi  disinyalir merupakan  konsumsi  yang  rutin  dari  alat  elektronik  yang  sama  karena  berkisar  pada nilai 100-200 Watt.

## 4.2 Air Conditioner
Gambar 10 Pemodelan konsumsi air conditioner pada hari kerja dan akhir pekan
Fluktuasi  konsumsi  energi  pelanggan  pada  hari  kerja  relatif  mirip  dengan  pemodelan base-line . Namun konsumsi minimum pelanggan  justru tidak berada di atas base-line, bahkan  cukup  jauh  lebih  tinggi  di  banyak  titik.  Titik  minimum  ini  disinyalir  dalam keadaan tidak ada penghuni di dalam ruangan. Sehingga, keadaan ini sangat potensial untuk  dilakukan  penghematan,  misalnya  dengan  membuat  sistem  otomasi  untuk menaikkan  suhu  ruangan  hingga  pada  angka  yang  masih  dapat  dianggap  nyaman, disamping  menurunkan  kecepatan  kipas.  Karena  konsumsi  listrik  AC  jauh  lebih  berat pada  kompresor  ketimbang  kipas.  Kemudian  untuk  akhir  pekan,  dapat  dilihat  bahwa fluktuasi  mirip  dengan  hari  kerja.  Bisa  jadi  pelanggan  memiliki  kebiasaan  yang  sama dengan  yang  biasa  ia  lakukan  pada  hari  kerja.  Namun  dari  kedua  grafik  pun  belum terlalu  menggambarkan  kebiasaan  pelanggan.  Selain  itu,  hal  yang  menarik  adalah peningkatan  suhu  lingkungan  yang  amat  mempengaruhi  beban  kerja  AC  sehingga meningkat cukup signifikan. Kondisi ini tentu saja memiliki kesempatan penghematan yang  juga  besar.  Misalnya  saja  bisa  dibuat  suatu  sistem  otomasi  untuk  menutup  tirai secara  otomatis  pada  siang  hari  atau  pekerjaan  ini  dapat  dibebankan  kepada housekeeping .

## 4.3 Penerangan Ambien
Grafik 11 Pemodelan konsumsi pencahayaan pada akhir pekan
Hal  yang  cukup  mengganggu  dari  perbandingan  data  di  atas  adalah  kisaran  nilai konsumsi  listrik  untuk  penerangan  yang  mirip  pada  sepanjang  hari  kerja.  Hal  ini disinyalir terjadi karena penggunaan lampu tidak dihentikan saat tidur. Bisa jadi karena terlalu  lelah  bekerja  sehingga  lupa,  atau  memang  pelanggan  tidak  dapat  tidur  dalam keadaan terlalu gelap. Namun apabila ternyata karena kelalaian atau ketidakbiasaan, hal  ini  dapat  menjadi  potensi  penghematan.  Misalnya  dibuat  sistem  otomasi pemadaman  lampu  dengan  menggunakan  sensor  gerak.  Pada  daerah  tertentu, misalnya  di  dekat  pintu,  dipasang  sensor  yang  dapat  memerintahkan  pemadaman lampu apabila tidak ada aktivitas selama durasi tertentu, misalnya dua jam meskipun saat kartu (kunci kamar) terpasang pada slot aktivasi listrik rungan. Begitu pula dengan konsumsi  listrik  AC,  konsumsi  listrik  penerangan  ambien  di  akhir  pekan  belum  begitu konvergen.  Untuk  akhir  pekan,  pemodelan  konsumsi  listrik  untuk  AC  dan  penerangan ambien  masih  membutuhkan  lebih  banyak  sampel  agar  dapat  dihasilkan  suatu pemodelan yang memiliki tingkat kemiripan yang baik.
Gambar  12  merupakan  hasil  tampilan web  browser dengan  menggunakan  perintah pemrograman real-time .  Grafik  ini  ditampilkan  dari  server  pada  Laboratorium Manajemen  Energi  karena  tampilan  dari  server  buatan  di  Hotel  Sheraton  tidak  dapat dilakukan karena alamat IP pada server dan Arduino sama. Sehingga data hasil akuisisi tidak dapat masuk ke basis data server.
Gambar 12. Tampilan Real-time Grafik Radar pada Web Browser

## 5 Kesimpulan
Penelitian  ini  telah  dapat  mengembangkan  dan  mengimplementasikan  sistem monitoring energi  listrik  untuk sub-metering dengan  masukan  dari  tiga  buah  sensor arus. Sensitivitas dari alat ukur ini sebesar 7 bit/Ampere dengan resolusi sebesar 0, 15 Ampere/bit  dan  tingkat  presisi  baik.  Dalam  implementasinya  di  kamar  3311  Hotel Sheraton  Bandung, sistem  pemantauan ini  juga  dapat  memudahkan  pemantau  untuk menganalisis  kegiatan  konsumsi  listrik  dari  hasil  pengukuran offline sehingga  dapat menghasilkan  rekomendasi  penghematan  energi  sesuai  dengan  alat  listrik  yang dipantau. Penelitian ini juga telah berhasil mengembangkan tampilan grafik radar pada halaman  web  pemantauan  dengan  menggunakan  Rgraph  sebagai  perangkat  lunak sehingga mempu menampilkan konsumsi daya listrik pada masing-masing beban ukur secara bersamaan dan real-time .

## 6 Daftar Pustaka
[1] “ Energy Submetering ”. Fact Sheet. Energy Center of Winconsin. 2000.
[2] “ Energy  management:  Monitoring,  visualization,  evaluation  and  optimization  of energy consumption ”. Building expert newsletter.
[3] “ Encourage reduced consumption: Install Sub-metering ”. Country Energy, Australia. 2009.
[4] “ Sub-Metering Energy Use in Colleges and Universities: Incentives and Challenges ”. Energy Star, United States. Desember, 2002.
[5] “Arduino”. http://arduino.cc (diakses pada bulan Desember 2012)
[6] “RGraph  –  Free  HTML5  and  JavaScript  Charts”. http://rgraph.net (diakses  pada bulan Januari 2013)
[7] “How to Build an Arduino Energy Monitor – Measuring Mains Voltage and Current”. http://openenergymonitor.org/emon/buildingblocks/how-to-build-an-arduino- energy-monitor?page=6 (diakses pada bulan Desember 2012)
[8] “Energy Monitoring using Pachube, Arduino 1.0 and SCT-013-030”.
[9] http://roysoala.wordpress.com/2012/04/20/energy-monitoring-using-pachube- and-arduino-1-0/ (diakses pada bulan Desember 2012)
[10] Ambatoho,  Ronald.  2011.  “Perancangan  Perangkat  Lunak  untuk  Sistem  Analisis Penggunaan Energi pada Bangunan Secara Waktu Nyata Berbasiskan Web”. Tugas Akhir, Institut Teknologi Bandung.
[11] Haq,  Nashirul.  2010.  “ Online  Measurement  for  Energy  Analysis  in  Supermarket Building ”  Tesis  Magister  Teknik  Fisika,  Institut  Teknologi  Bandung,  Bandung, Indonesia.
[12] Bentley, John P., 2005. Principles of Measurement System: Fourth Edition. England:
Pearson.