Kontrol Otomatis Sistem Irigasi Hemat Air Berbasis Sensor Kelembapan Tanah dan Sensor Aliran Air
-
Mengembangkan sistem penyiraman tanaman yang dapat mengatur penggunaan air secara efisien.
-
Mengukur dan memanfaatkan data dari sensor kelembapan tanah untuk menentukan kapan tanaman membutuhkan air.
-
Menggunakan sensor aliran air (flow sensor) untuk memantau volume air yang keluar sehingga irigasi tetap terkontrol.
-
Membuktikan bahwa sistem otomatis mampu mengurangi pemborosan air dibanding sistem manual.
A. Alat
- Power Supply
Baterai adalah perangkat penyimpan energi yang mengubah energi kimia menjadi energi listrik melalui reaksi elektrokimia. Baterai terdiri dari dua kutub, yaitu kutub positif (katoda) dan kutub negatif (anoda). Di dalam baterai terdapat elektrolit yang berfungsi sebagai media yang memungkinkan perpindahan ion antara kedua kutub tersebut. Ketika baterai digunakan, reaksi kimia di dalamnya menghasilkan aliran elektron dari anoda menuju katoda melalui rangkaian luar, sehingga listrik dapat digunakan untuk menyalakan berbagai perangkat elektronik.
Cara kerja baterai dimulai saat rangkaian tersambung, yang menyebabkan ion bergerak di dalam elektrolit dan elektron mengalir melalui kabel luar. Perpindahan elektron inilah yang menjadi sumber energi listrik. Ketika semua bahan kimia aktif telah bereaksi, baterai akan habis dan tidak dapat lagi menghasilkan listrik. Untuk baterai isi ulang (rechargeable), reaksi kimia dapat dibalik dengan memberi arus listrik dari luar, sehingga bahan kimia di dalam baterai kembali ke kondisi semula dan baterai dapat digunakan kembali.
Ada banyak jenis baterai, seperti baterai alkaline, Li-ion (Lithium Ion), NiMH (Nickel Metal Hydride), dan baterai Li-Po (Lithium Polymer). Setiap jenis memiliki karakteristik berbeda seperti kapasitas, tegangan nominal, ketahanan, dan keamanan. Li-ion adalah baterai yang paling banyak digunakan di perangkat modern seperti smartphone, laptop, drone, dan proyek mikrokontroler karena kapasitasnya besar, ringan, dan dapat diisi ulang. Sementara baterai alkaline sering digunakan pada peralatan rumah tangga seperti remote TV, jam dinding, dan senter, namun sifatnya sekali pakai. Setiap jenis baterai dipilih sesuai kebutuhan daya dan karakteristik penggunaan.
1.Soil Moisture Sensor
Sensor kelembaban tanah adalah perangkat elektronik yang digunakan untuk mengukur kadar air dalam tanah. Prinsip kerjanya memanfaatkan perubahan konduktivitas antara dua probe logam yang ditancapkan ke tanah. Ketika tanah basah, arus listrik dapat mengalir lebih mudah karena air meningkatkan konduktivitas, sehingga nilai output sensor menjadi tinggi. Sebaliknya, ketika tanah kering konduktivitas menurun dan nilai output menurun. Sensor ini umum digunakan dalam sistem penyiraman otomatis, pertanian modern, hingga penelitian botani.
Selain memberikan nilai analog yang merepresentasikan kadar air, beberapa versi sensor juga menyediakan keluaran digital dengan batas ambang tertentu. Modulnya biasanya dilengkapi dengan papan kontrol (driver board) yang berfungsi menstabilkan sinyal dan mencegah korosi berlebih pada probe. Corrosion (korosi) adalah masalah umum pada sensor kelembaban tanah karena arus DC yang terus-menerus membuat logam probe cepat aus. Karena itu, banyak sistem modern menggunakan teknik switching atau AC untuk memperpanjang umur sensor.
Dalam penggunaannya, sensor ini sangat cocok untuk sistem otomatisasi penyiraman tanaman. Mikrokontroler seperti Arduino atau ESP32 dapat membaca nilai kelembaban dan mengatur pompa air secara otomatis. Dengan demikian, kelembaban tanah tetap ideal tanpa pengawasan terus-menerus. Keunggulan sensor ini adalah harganya yang murah, mudah digunakan, dan memberikan hasil cukup akurat untuk aplikasi non-industri.
2.Sensor Water Level
Water level sensor banyak digunakan pada sistem otomatisasi, misalnya pengisian dan pengosongan tangki air, sistem irigasi, pengendalian banjir, serta peralatan rumah tangga dan industri. Penggunaan sensor ini membantu meningkatkan efisiensi, mencegah luapan atau kekosongan air, serta memungkinkan pemantauan kondisi air secara real-time tanpa pengukuran manual.
3.Sensor Arus WCS1700
Sensor arus WCS1700 adalah sensor berbasis teknologi Hall Effect yang mampu mengukur arus AC maupun DC. Sensor ini bekerja dengan mendeteksi medan magnet yang dihasilkan oleh arus yang mengalir melalui konduktor. Nilai medan magnet berubah-ubah sesuai besar arus, dan perubahan ini diubah oleh sensor menjadi tegangan analog yang dapat dibaca oleh mikrokontroler. WCS1700 merupakan sensor arus non-invasif karena tidak memerlukan kontak langsung dengan konduktor bertegangan tinggi.
Keunggulan utama sensor ini adalah tingkat keamanan yang tinggi. Karena arus tidak mengalir langsung melalui sensor, risiko kerusakan ataupun bahaya listrik bagi pengguna menjadi jauh lebih kecil. Sensor ini banyak digunakan dalam sistem monitoring daya, proteksi arus lebih (overcurrent protection), serta untuk mengukur konsumsi energi perangkat elektronik. Akurasi sensor cukup baik untuk penggunaan umum, meskipun tidak setinggi sensor arus kelas industri.
Dalam aplikasinya, WCS1700 memberikan keluaran berupa sinyal analog yang proporsional terhadap besar arus. Mikrokontroler seperti Arduino dapat membaca nilai ini melalui pin ADC dan mengonversinya menjadi nilai arus. Sensor ini juga memiliki response time yang cepat sehingga mampu mendeteksi perubahan arus secara real-time. Karena ukurannya kecil dan mudah digunakan, sensor ini banyak dipakai dalam proyek IoT dan sistem manajemen energi skala kecil.
4.LCD 20x4
LCD 20x4 adalah modul tampilan yang mampu menampilkan 2 baris teks dengan masing-masing 16 karakter. Modul ini menggunakan teknologi Liquid Crystal Display yang bekerja dengan prinsip polarisasi cahaya. Ketika tegangan diberikan ke bagian tertentu dari layar, orientasi kristal cair berubah sehingga cahaya terblokir atau dilewatkan. Perubahan inilah yang membentuk karakter huruf, angka, dan simbol yang muncul pada layar.
Modul LCD 16x2 biasanya menggunakan driver HD44780 atau kompatibel. Driver ini menentukan cara komunikasi antara mikrokontroler dan display, biasanya melalui antarmuka paralel 8 bit atau 4 bit. Terdapat juga versi yang dilengkapi modul I2C, yang memungkinkan penggunaan hanya dua kabel untuk komunikasi (SDA dan SCL). Hal ini sangat memudahkan penggunaan LCD pada mikrokontroler yang memiliki pin terbatas.
LCD 16x2 banyak digunakan pada berbagai proyek elektronik seperti pengontrol suhu, sistem monitoring, hingga alat ukur digital. Selain hemat daya, LCD ini mampu bertahan lama dan bekerja stabil dalam berbagai kondisi. Karakter yang ditampilkan juga cukup jelas meski tanpa backlight yang kuat. Kelebihannya adalah harganya murah dan kompatibel dengan hampir semua board mikrokontroler.
5.Pompa air DC
Pompa air DC adalah pompa yang digerakkan oleh motor DC dan biasa digunakan untuk memindahkan atau mengalirkan air dari satu tempat ke tempat lain. Pompa ini umum dijumpai pada dispenser DIY, sistem penyiraman tanaman otomatis, kolam mini, dan akuarium. Pompa beroperasi menggunakan tegangan rendah — biasanya 5V, 6V, 9V, atau 12V — sehingga aman digunakan untuk proyek sistem elektronik berbasis mikrokontroler.
Prinsip kerja pompa ini adalah memutar impeller dalam rumah pompa untuk menciptakan perbedaan tekanan, sehingga air terdorong keluar melalui saluran keluaran. Pompa DC banyak disukai karena konsumsi dayanya rendah, suara cukup halus, dan responsnya cepat. Namun, kapasitas debit air bervariasi tergantung spesifikasinya, mulai dari yang kecil (200–300 L/jam) hingga sedang.
Dalam penggunaannya, pompa DC hampir selalu dikombinasikan dengan relay atau MOSFET untuk mengontrol ON/OFF dari mikrokontroler. Hal ini karena pompa membutuhkan arus lebih besar daripada yang dapat disuplai langsung oleh pin mikrokontroler. Pompa ini juga sering dilengkapi pipa silikon dan filter sederhana untuk menjaga aliran air tetap bersih.
6.Relay 1 channel
Relay 1 channel adalah modul relay yang terdiri dari satu saklar elektronik yang dapat dikendalikan oleh sinyal dari mikrokontroler. Relay bekerja seperti saklar listrik mekanik yang digerakkan oleh elektromagnet. Ketika kumparan elektromagnet mendapat arus, kontak saklar akan berpindah dari posisi NC (normally closed) ke NO (normally open), atau sebaliknya. Modul relay sangat penting untuk mengontrol perangkat bertegangan tinggi dengan sinyal low-power dari Arduino atau ESP32.
Relay 1 channel biasanya beroperasi pada tegangan 5V, 12V, atau 24V tergantung tipe modulnya. Modul ini dipisahkan dengan optocoupler untuk keamanan, sehingga mikrokontroler tidak langsung terhubung ke beban bertegangan tinggi. Kontak relainya mampu menyalakan perangkat seperti lampu AC, kipas, pompa air, atau peralatan rumah tangga lainnya. Relay juga dilengkapi diode flyback untuk mengamankan modul dari lonjakan arus.
Dalam penggunaannya, relay sangat sering dipakai pada sistem otomatisasi rumah, robotik, dan proyek-proyek yang memerlukan pengontrolan beban besar. Pada sistem penyiraman otomatis misalnya, relay mengontrol pompa air sehingga dapat menyala saat kadar tanah kering dan mati saat keadaan sudah cukup lembab. Modul ini mudah digunakan dan sangat kompatibel untuk berbagai jenis mikrokontroler.
7.Potensiometer
Potensiometer adalah resistor variabel yang dapat diubah nilainya dengan memutar knob atau slider. Komponen ini memiliki tiga terminal: dua terminal di ujung resistor tetap, dan satu terminal di tengah yang disebut wiper. Ketika knob diputar, posisi wiper berubah sehingga membagi resistansi menjadi dua bagian yang menghasilkan nilai resistansi berbeda. Potensiometer banyak digunakan untuk mengatur level suara, kecerahan layar, dan sensitivitas sensor.
Dalam proyek mikrokontroler, potensiometer sering digunakan sebagai input analog. Nilai resistansi yang berubah akan menghasilkan perubahan tegangan pada pin analog, sehingga mikrokontroler dapat membaca nilai kontrol dari pengguna. Pada LCD 16x2, potensiometer digunakan untuk mengatur kontras layar, sehingga karakter dapat terlihat jelas.
Selain digunakan sebagai pengatur manual, potensiometer juga bermanfaat dalam sistem kalibrasi. Misalnya untuk mengatur nilai ambang batas sensor, mengatur sensitivitas rangkaian, atau menentukan parameter tertentu dalam suatu sistem. Potensiometer tersedia dalam berbagai nilai resistansi dan ukuran fisik, sehingga sangat fleksibel dan mudah diaplikasikan dalam banyak proyek elektronika.
- Water level Sensor
Water level sensor adalah sensor yang digunakan untuk mendeteksi atau mengukur ketinggian permukaan air dalam suatu wadah, tangki, atau saluran. Sensor ini bekerja dengan prinsip perubahan sifat fisik tertentu akibat adanya air, seperti perubahan resistansi, kapasitansi, tekanan, atau pantulan gelombang ultrasonik. Data dari sensor kemudian diubah menjadi sinyal listrik yang dapat dibaca oleh sistem kontrol seperti mikrokontroler atau PLC.
Water level sensor banyak digunakan pada sistem otomatisasi, misalnya pengisian dan pengosongan tangki air, sistem irigasi, pengendalian banjir, serta peralatan rumah tangga dan industri. Penggunaan sensor ini membantu meningkatkan efisiensi, mencegah luapan atau kekosongan air, serta memungkinkan pemantauan kondisi air secara real-time tanpa pengukuran manual.
- Sensor Arus WCS1700
Grafik Respon Sensor :
Grafik respon sensor arus WCS1700 menunjukkan hubungan linear antara besar arus primer yang mengalir melalui sensor dengan tegangan keluaran (Vout) yang dihasilkan. Pada kondisi tanpa arus (0 A), tegangan keluaran berada di titik tengah, yaitu sekitar setengah dari tegangan suplai (½ Vdd). Ketika arus mengalir dalam arah positif, Vout meningkat secara proporsional dengan kemiringan sekitar +32 mV untuk setiap 1 ampere. Sebaliknya, ketika arus mengalir dalam arah negatif, Vout menurun dari titik tengah dengan kemiringan sekitar –33 mV per ampere. Rentang tegangan keluaran terbatas antara sekitar 0,3 V hingga Vdd – 0,3 V, sesuai karakteristik internal sensor. Grafik kedua memperjelas sifat linear ini pada skala arus yang lebih besar, di mana peningkatan arus dari 10 A hingga 50 A menghasilkan kenaikan tegangan yang konsisten dan teratur. Dengan karakteristik tersebut, WCS1700 mampu memberikan pembacaan arus yang stabil dan mudah diolah oleh mikrokontroler, baik untuk arus AC maupun DC.
- LCD 16x2
LCD 16x2 (Liquid Crystal Display 16 karakter × 2 baris) merupakan modul tampilan berbasis teknologi kristal cair yang banyak digunakan dalam sistem elektronika dan mikrokontroler untuk menampilkan teks, angka, atau simbol sederhana. Modul ini bekerja dengan memanfaatkan sifat optik kristal cair yang dapat berubah orientasi ketika diberi tegangan listrik, sehingga mampu mengatur intensitas cahaya yang melewatinya. LCD 16x2 biasanya menggunakan controller standar seperti HD44780 yang memungkinkan mikrokontroler untuk mengirimkan data dan instruksi melalui mode komunikasi 4-bit atau 8-bit. Pada tiap barisnya, modul ini dapat menampilkan hingga 16 karakter berbentuk matriks dot 5×8 atau 5×10. Selain itu, LCD 16x2 dilengkapi dengan pin pengatur kontras (V0) yang memungkinkan pengguna mengatur tingkat kecerahan karakter menggunakan potensiometer.
1.Electromagnet (Coil)
2.Armature
3.Switch Contact Point (Saklar)
4.Spring
Kontak Poin (Contact Point) Relay terdiri dari 2 jenis yaitu :
Normally Close (NC) yaitu kondisi awal sebelum diaktifkan akan selalu berada di posisi CLOSE (tertutup)
Normally Open (NO) yaitu kondisi awal sebelum diaktifkan akan selalu berada di posisi OPEN (terbuka)
Beberapa fungsi Relay yang telah umum diaplikasikan kedalam peralatan Elektronika diantaranya adalah :
1.Relay digunakan untuk menjalankan Fungsi Logika (Logic Function)
2.Relay digunakan untuk memberikan Fungsi penundaan waktu (Time Delay Function)
3.Relay digunakan untuk mengendalikan Sirkuit Tegangan tinggi dengan bantuan dari Signal Tegangan rendah.
4.Ada juga Relay yang berfungsi untuk melindungi Motor ataupun komponen lainnya dari kelebihan Tegangan ataupun hubung singkat (Short).
4. Percobaan [Kembali]
Rangkaian sistem irigasi air ini dirancang sebagai sistem monitoring dan pengendalian irigasi otomatis berbasis mikrokontroler STM32 Bluepill (STM32F103C8) yang berfungsi untuk menjaga kelembapan tanah tetap pada kondisi ideal dengan penggunaan air yang efisien dan terkontrol. STM32 Bluepill digunakan sebagai pusat pengolah data (otak sistem) karena memiliki kemampuan pemrosesan yang cepat, ADC 12-bit untuk pembacaan sensor analog yang lebih presisi, serta dukungan komunikasi I2C untuk antarmuka tampilan. Sistem ini memanfaatkan beberapa sensor utama, yaitu sensor soil moisture digital, sensor water level analog, dan sensor arus WCS (current sensor), serta beberapa aktuator berupa motor pompa air, LED indikator, buzzer, dan LCD I2C 20×4 sebagai media monitoring visual.
Pada bagian input, sensor soil moisture digital dihubungkan ke pin PA0 dan berfungsi untuk mendeteksi kondisi kelembapan tanah. Sensor ini memberikan keluaran logika digital, di mana kondisi LOW menandakan tanah kering dan kondisi HIGH menandakan tanah masih lembab. Selain itu, terdapat sensor water level yang dipasang pada tangki penampung air dan terhubung ke pin PA5 sebagai input analog. Sensor ini mengukur ketinggian atau volume air di dalam tangki, kemudian sinyal analog yang dihasilkan dibaca oleh ADC STM32 dan dikonversi menjadi nilai persentase kapasitas air. Dengan cara ini, sistem dapat mengetahui apakah persediaan air di dalam tangki masih mencukupi atau sudah berada di bawah batas aman. Sensor input terakhir adalah sensor arus WCS, yang dihubungkan ke pin PA3, berfungsi untuk memonitor arus listrik yang mengalir ke motor pompa. Sensor ini memungkinkan sistem mengetahui kondisi kerja pompa secara tidak langsung, misalnya apakah motor sedang aktif, bekerja normal, atau mengalami gangguan seperti beban berlebih.
Pada bagian output, rangkaian menggunakan motor pompa air yang dikendalikan melalui relay dan terhubung ke pin PA2. Motor ini berfungsi untuk mengalirkan air dari tangki ke area tanah yang membutuhkan penyiraman. Selain itu, terdapat LED indikator pada pin PA1 yang berfungsi sebagai penanda visual kondisi tangki air; LED akan menyala ketika level air di dalam tangki berada di bawah ambang batas tertentu (misalnya kurang dari 50%), sehingga pengguna dapat segera mengetahui bahwa air perlu diisi ulang. Buzzer yang terhubung ke pin PA4 berfungsi sebagai peringatan suara ketika tanah terdeteksi kering, sehingga memberikan alarm tambahan selain indikator visual. Untuk menampilkan seluruh informasi sistem secara real-time, digunakan LCD I2C 20×4 yang terhubung melalui jalur komunikasi I2C (SDA dan SCL). LCD ini menampilkan data kondisi water level tangki, status tanah (kering atau lembab), status motor pompa (ON/OFF), status LED dan buzzer, serta nilai arus listrik yang mengalir pada motor pompa.
Cara kerja rangkaian dimulai saat sistem dinyalakan, di mana STM32 melakukan inisialisasi seluruh pin input dan output serta modul komunikasi I2C untuk LCD. Setelah itu, mikrokontroler secara terus-menerus membaca kondisi sensor soil moisture, sensor water level, dan sensor arus. Jika sensor soil moisture mendeteksi tanah dalam kondisi kering, maka STM32 akan mengaktifkan motor pompa air untuk menyiram tanah dan sekaligus mengaktifkan buzzer sebagai peringatan bahwa sistem sedang melakukan penyiraman. Sebaliknya, jika tanah masih lembab, motor pompa dan buzzer akan dimatikan untuk menghindari pemborosan air. Secara paralel, sistem juga memantau kondisi water level tangki; apabila level air berada di bawah ambang batas yang ditentukan, maka LED indikator akan menyala, menandakan bahwa persediaan air hampir habis dan perlu segera diisi ulang. Selama motor bekerja, sensor arus WCS memantau besar arus yang mengalir ke motor dan nilainya ditampilkan pada LCD, sehingga pengguna dapat memantau performa pompa dan mendeteksi potensi gangguan seperti arus berlebih atau pompa tidak bekerja sebagaimana mestinya.
Secara keseluruhan, rangkaian ini berfungsi sebagai sistem irigasi cerdas yang terintegrasi, tidak hanya mampu melakukan penyiraman otomatis berdasarkan kondisi kelembapan tanah, tetapi juga menyediakan fitur monitoring lengkap terhadap ketersediaan air dan kondisi kerja pompa. Dengan adanya tampilan LCD, LED indikator, dan buzzer, pengguna dapat dengan mudah memahami kondisi sistem secara real-time tanpa perlu alat ukur tambahan. Kesimpulannya, sistem irigasi ini mampu meningkatkan efisiensi penggunaan air, mengurangi intervensi manual, serta memberikan keamanan dan keandalan melalui pemantauan arus dan level air, sehingga sangat cocok diterapkan pada pertanian skala kecil hingga menengah atau sebagai prototipe sistem irigasi otomatis berbasis mikrokontroler.
Komentar
Posting Komentar