tinjauan pustaka - polban
TRANSCRIPT
17
TINJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini akan dibahas berbagai penelitian sejenis yang pernah dilakukan
sebelumnya, baik yang berasal dari artikel, jurnal, tugas akhir maupun yang lainnya.
Selain itu, akan dibahas juga landasan teori yang mendukung perancangan dan
realisasi tugas akhir ini.
2.1. Tinjauan Pustaka
Tinjauan pustaka berfungsi sebagai referensi atau patokan dalam pembuatan
tugas akhir. Dari tinjauan pustaka ini, juga dapat di lakukan pengembangan dari
penelitian yang sudah ada dari sebelumnya. Berikut dapat diperhatikan pada tabel
II.1 tentang jurnal yang berhubungan dengan tugas akhir yang akan dibuat.
Tabel II.1Penelitian Relevan
No Judul Paper Pembahasan Perangkat
1 Komunikasi Antar Robot Menggunakan Xbee dan Arduino Microcontroller
Sistem komunikasi antar robot leader dengan robot follower menggunakan Xbee
Xbee, Arduino
2 Perancangan Sistem Komunikasi Wireless Pada Mobile Robot Manipulator Berbasis Mikrokontroler ATMega8
Sistem komunikasi antar mobile robot menggunakan
Serial Periphera Interface
Transmitter dan Receiver
Wireless, ATmega8
3 Komunikasi Pada Robot Swarm Pemadam Api Menggunakan Protokol Modbus
Sistem komunikasi antar robot swarm menggunakan Radio Frekuensi dan ModBus
RF tipe KYL-1020
4 Kendali Pada Robot Manual Menggunakan Komunikasi Nirkabel
Sistem komunikasi antar joystick dengan robot menggunakan Xbee dan sistem kendali penggunakan PID agar pergerakan robot menjadi halus
Xbee-Pro, ATmega32
18
Sehingga pada Tugas Akhir ini penulis merancang pengendalian mobile
robot berbasis master and slave menggunakan komunikasi WiFi ESP8266 Node
MCU melalui perintah dari Webpage dengan aplikasi untuk kendaraan cerdas
bergerak bersamaan
2.2. Dasar Teori
Pada subbab ini dibahas mengenai komponen yang digunakan pada
perancangan dan realisasi tugas akhir beserta fungsi, cara kerja dan spesifikasi dari
setiap komponen tersebut.
2.1.1 Perbedaan Master and Slave dalam segi Software dan Hardware
Master and Slave dari segi software adalah model protocol komunikasi pada
suatu device atau proses (Master) mengendalian satu atau lebih device atau proses
(Slave). Komunikasi ini selalu memulai perintah dari master ke slave dengan
didalamnya terdapat model komunikasi server/client, dimana program server selalu
merespon permintaan dari program client secara Peer-to-peer sehingga keduanya
dapat memulai komunikasi.
Secara hardware adalah model komunikasi pada perangkat keras dimana
salah satu device bisa mengendalian lebih banyak device. Pada perangkat keras ini
sering digunakan elektronik sebagai pengendali sehingga dapat mengendalikan
beberapa slave oleh master contoh konfigurasi master/slave pada disk drives
. 2.1.2 Pengendalian Master and Slave
Pengendalian master and slave adalah pengendalian searah atas satu atau
lebih perangkat lain dengan pengendalian terpusat pada Master sedangkan
perangkat lain sebagai Slave. Pengendalian memerlukan komunikasi antar master
and slave. Sehingga dalam ini ada 2 komunikasi yang dilakukan yaitu komunnikasi
antar remote control dengan mobile Master dan komunikasi antar mobile master
dengan mobile Slave. Media komunikasi yang digunakan yaitu WiFi dengan mode
Access Point.
19
2.1.3 Komunikasi WLAN
Perkembangan teknologi wireless berkembang sangat cepat dalam jaringan
telekomunikasi. Teknologi berbasis kabel mulai ditinggalkan karena membutuhkan
biaya operasional yang cukup tinggi dan banyak keterbatasannya. Istilah yang
sering digunakan untuk teknologi adalah Wireless Local Area Network (WLAN).
Sedangkan pengertian wireless itu sendiri dalam bahasa Indonesia yaitu nirkabel,
merupakan salah satu teknologi komputer yang memungkinkan satu atau lebih
peralatan untuk berkomunikasi tanpa koneksi fisik, yaitu tanpa membutuhkan
jaringan atau peralatan kabel. WLANs berdasarkan standar IEEE 802.11 sebagai
sebuah solusi dari koneksi jaringan yang menawarkan mobility, felxibility, low cost
dalam pengembangan dan penggunaannya. IEEE 802 commitee dikenal sebagai
lembaga autoritas dari LAN yang menentukan beberapa standar LAN dalam 20
tahun terakhir. IEEE 802 Committee membentuk sebuah group baru IEEE 802.11
dikhususkan untuk WLANs sebagai dasar untuk membangun sebuah spesifikasi
protokol lapisan physical dan MAC. IEEE meratifikasi spesifikasi 802.11 pada
tahun 1997.
WLAN adalah teknologi yang sangat menarik karena aplikasinya sangat
luas, dengan beberapa karakteristik yang menguntungkan yaitu kapasitas tinggi,
jangkauan jarak dekat, koneksi penuh dan dapat broadcast secara langsung (Labiod
et al., 2007). Istilah untuk 802.11b untuk sertifikat produk adalah Wi-Fi. Sertifikasi
Wi-Fi dibuat oleh Aliansi Wi-Fi. Aliansi Wi-Fi juga membuat prosedur sertifikasi
untuk produk IEEE 802.11a yang disebut Wi-Fi berikut gambaran WLAN bisa
dilihat pada Gambar II.1.
1. Keunggulan-Keunggulan WLAN
Berikut ini adalah kelebihan dari WLANs (Labiod et al., 2007):
Bebas lisensi untuk koneksi bacbone LAN
Standar dapat diikuti dunia
Trougputs bisa melebihi standar 3G sebagai universal mobile
telecommunication system (UMTS)
20
Low-cost, harga yang berkompetisi untuk generasi ketiga
Roaming/handoff support
Mudah dikembangkan
Menurut (Stalling, 2005) Wireless LAN menyediahkan alternatif yang efektif dan
lebih menarik. Sedangkan menurut (Garg, 2007) beberapa keuntungan dari WLAN
sebagai berikut :
Meningkatkan mobilitas, produktivitas dengan akses real-time ke informasi,
pekerja tidak di lokasi, lebih cepat dan lebih efisien.
Biaya yang efektif untuk instalasi jaringan pada lokasi sulit kabel seperti
bangunan tua dan struktur dinding masif.
Mengurangi biaya kepemilikan, terutama di lingkungan yang dinamis yang
sering dimodifikasi karena mengurangi kabel dan biaya instalasi per
perangkat dan per pengguna.
2. Tiga katagori penggunaan system WLAN :
Wireless personal area networks (WPANs)
Wireless area networks
Wireless metropolitan area networks
Gambar II.1 WLAN (Wireless Local Area Network)
Salah satu mode komunikasi wireless adalah Access point dalam jaringan
computer adalah sebuah jalur akses nirkabel (Wireleess Access Point atau AP)
21
adalah perangkat komunikasi nirkabel yang memungkinkan antar perangkat untuk
terhubung ke jaringan nirkabel dengan menggunakan Wi-Fi, Bluetooth atau
standard terkait. Pada access point ini koneksi data / internet dipancarkan atau
dikirim melalui gelombang radio.
Salah satu komponen komunikasi adalah NodeMCU merupakan sebuah open
source platform IoT dan pengembangan kit yang menggunakan bahasa
pemrograman Lua untuk membantu makers dalam membuat prototype produk IoT
atau bisa dengan memakai sketch dengan arduino IDE. Pengembangan Kit ini
didasarkan pada modul ESP8266, yang mengintegrasikan GPIO, PWM, IIC, 1-
Wire dan ADC semua dalam satu board.
Keunikan dari Nodemcu adalah board yang berukuran kecil panjang 4.83 cm,
lebar 2.54 cm, dan dengan berat 7 gram meskipun ukuran kecil, board ini sudah
dilengkapi dengan fitur WiFi dan firmware yang bersifat opensource.
ESP8266 merupakan modul WiFi yang berfungsi sebagai perangkat
tambahan mikrokontroler seperti Arduino agar dapat terhubung langsung dengan
WiFi dan membuat koneksi TCP/IP. Modul ini membutuhkan daya sekitar 3.3 V
dengan memiliki tiga mode wifi yaitu Station, Access Point dan keduanya. Modul
ini juga dilengkapi dengan prosesor, memori dan GPIO dimana jumlah pin
bergantung dengan jenis ESP8266 yang kita gunakan. Sehingga modul ini dapat
berdiri sendiri tanpa menggunakan microkontroler apapun karena sudah memiliki
perlengkapan layaknya microkontroler berikut pada Gambar II.2 merupakan
ESP12E
Gambar II.2 ESP12E
Selain pemrograman menggunakan Lua sebagai firmware dari ESP8266
namun saat ini dengan adanya tipe Node MCU bisa menggunakan pemrograman
22
Arduino IDE dengan cara menambahkan library ESP8266 pada board manager
sehingga dapat dengan mudah memprogram dengan basic program Arduino IDE.
Pada Gambar II.3 merupakan ESP8266 tipe NodeMCU versi 1.0 dengan ditambah
harga yang cukup terjangkau dapat membuat berbagai project dengan modul ini.
Maka dari itu banyak orang yang menggunakannya modul ini untuk membuat
project Internet of Thinking (IoT).
Gambar II.3 ESP8622 NodeMCU V1.0
Pada pemetaan pin ESP8266 Node MCU board V1.0 bisa menggunakan
komunikasi SPI. Semua pin GPIO bisa digunakan untuk fungsi PWM bisa dilihat
pada Gambar II.4.
Gambar II.4 Pemetaan PIN ESP8266 NodeMCU V1.0
Adapun spesifikasi yang terdapat pada board ini yaitu:
Board ini berbasis ESP8266 Serial WiFi SoC (single on Chip) dengan onboard
USB to TTL. Untuk Wireless standar yang digunakan adalah IEEE
802.11b/g/n
Terdapat 2 tantalum capasitor 100 micro farad dan yg kecil 10 micro farad
23
Sumber tegangan 3.3v LDO regulator
Ada blue led
CP2102 usb to UART bridge
Terdapat tombol reset, port usb, dan tombol flash
Terdapat 9 GPIO yang di dalamnya ada 3 pin PWM, 1 x ADC Channel, dan
pin RX TX
Pada pin seberangnya, terdapat AD0 sebagai analog sample, pin ground,
S3 & S2 sebagai pin GPIO,
S1 mosi (Master Output Slave Input) yaitu jalur data dari master dan masuk ke
dalam slave, sc cmd/cs,
S0 miso (Master Input Slave Input) yaitu jalur data keluar dari slave dan masuk
ke dalam master,
SK yg merupakan SCLK dari master ke slave yang berfungsi sebagai clock,
Ada pin Vin sebagai masukan tegangan.
GPIO bisa di full kontrol lewat jaringan wifi
GPIO dengan arus keluaran masing2 15mA dengan tegangan 3V
Built in 32-bit MCU
Board ini dapat di program langsung lewat USB, tanpa menggunakan
rangkaian tambahan.
Pengembangan Board dengan Open-Source Firmware ini dapat dipergunakan
untuk mengengmbangkan aplikasi IoT hanya dengan beberapa baris script
Lua.
2.1.4 Mobile Robot 2WD Chasis Kit
Mobile Robot merupakan sebuah robot yang dapat bergerak dengan leluasa
karena memiliki alat gerak untuk berpindah posisi. Mobile Robot adalah konstruksi
robot yang ciri khasnya adalah mempunyai aktuator berupa roda untuk
menggerakkan keseluruhan badan robot tersebut, sehingga robot tersebut dapat
melakukan perpindahan posisi dari satu titik ke titik yang lain. Mobile Robot dapat
24
dibuat sebagai pengikut garis (Line Slave) atau pengikut dinding (Wall Slave)
ataupun pengikut cahaya [1]. Pada mobile robot kali menggunakan chasis kit 2WD
dengan memiliki motor DC dan gear box sebanyak 2 buah.
2.1.5 Baterai
Baterai (baterry) adalah sebuah alat yang dapat merubah energi kimia yang
disimpannya menjadi energi listrik yang dapat digunakan oleh suatu perangkat
elektronik. Salah satu keuntungan baterai yaitu perangkat elektronik dapat dibawa
kemana saja tanpa harus disambungkan ke jala-jala. Dalam kehidupan sehari-hari,
terdapat dua jenis baterai yaitu baterai yang hanya dapat dipakai sekali (single use)
dan baterai yang dapat di isi ulang (rechargeable).
2.1.5.1 Jenis-jenis Baterai
Baterai terdiri dari terminal positif (katoda) dan terminal negatif (anoda)
serta elektrolit yang berfungsi sebagai penghantar. Output arus listrik dari baterai
adalah arus searah atau disebut juga dengan arus DC (Direct Current). Pada
umumnya baterai terdiri dari 2 jenis utama yakni baterai primer yang hanya dapat
dipakai sekali (single use battery) dan baterai sekunder yang dapat diisi
ulang(rechargeable battery).
1. Baterai Sekunder (Baterai Isi Ulang/Rechargeable)
Baterai sekunder adalah jenis baterai yang dapat di isi ulang (rechargeable
battery). Pada prinsipnya, cara baterai sekunder menghasilkan arus listrik adalah
sama dengan baterai primer. Hanya saja, reaksi kimia pada baterai sekunder ini
dapat berbalik (reversible). Pada saat baterai digunakan dengan menghubungkan
beban pada terminal baterai (discharge), elektron akan mengalir dari negatif ke
positif. Sedangkan pada saat sumber energi luar (charger) dihubungkan ke baterai
sekunder, elektron akan mengalir dari positif ke negatif sehingga terjadi pengisian
muatan pada baterai. Jenis-jenis baterai yang dapat di isi ulang (rechargeable
battery) yang sering kita temukan yaitu :
25
a. Baterai Rechargeabel alkaline
b. Ni-cd (Nickel-Cadmium)
c. Ni-MH (Nickel-Metal Hydride)
d. Li-Ion (Lithium-Ion).
e. Baterai Li-Po (Lithium-Polimer)
f. Baterai Lead Acid
2. Baterai Li-Po (Lithium-Polimer)
Jenis baterai yang digunakan pada sistem ini adalah baterai sekunder dengan
maksud baterai dapat diisi ulang saat sudah habis. Jenis baterai sekunder bawaan
dari mobil radio control yaitu baterai Ni-Cd (Nickel-Cadmium). Namun baterai ini
memiliki kelemahan cepat habis saat pemakain dan harus lebih banyak di charge
ulang. Apalagi beban dari sistem yang cukup besar. Untuk mengisi ulang baterai
ini harus dalam keadaan yang benar-benar kosong karena akan menurunkan
kapasitas dari baterai dan akhirnya akan mati total jika tidak di isi ulang dengan
benar. Bahkan ketika tidak digunakan, listrik yang tersimpan akan berkurang setiap
bulannya. Oleh sebab itu, pada sistem ini dipakai baterai sekunder jenis Li-Po.
Karena baterai Li-Po memiliki daya tahan jauh lebih baik terutama saat panas
karena bahannya terbuat dari senyawa polimer.Untuk pengisian ulang dari baterai
ini sebaiknya sangat menghindari baterai dalam keadaan kosong total. Karena, jika
baterai sudah benar- benar kosong akan menyebabkan baterai jenis ini susah
diaktifkan karena baterai masih dalam keadaan pulih. Gambar II.5 merupakan
baterai Ni-Cd dan Baterai Li-Po.
Gambar II.5 Baterai LiPo
26
2.1.6 Modul PSU Buck Converter LM2953
Regulator Step Down DC – DC yang dapat disesuikan dengan output 1.23
VDC - 35 VDC arus maksimum 2 A. Output dari Buck Converter ini digunakan
sebagai input tegangan 3.3 V untuk modul WiFi ESP8266 NodeMCU yang
tersambung pada input Driver Motor Shield ESP Node MCU. Input tegangan Buck
Converter ini diambil pada tegangan baterai LiPo 12 V. Pada Gambar II.6 adalah
rangkaian Buck Converter LM2953.
Gambar II.6 Rangkaian Buck Converter LM2953
2.1.7 Modul L293D Motor Driver Dual H-Bridge
IC L293D adalah IC yang didesain khusus sebagai driver motor DC dan
dapat dikendalikan dengan rangkaian TTL maupun microcontroller. Motor DC
yang dikontrol dengan driver IC L293D dapat dihubungkan ke ground maupun ke
sumber tegangan positif karena di dalam driver L293D sistem driver yang
digunakan adalah totem pool. Dalam 1 unit chip IC L293D terdiri dari 4 buah driver
motor DC yang berdiri sendiri sendiri dengan kemampuan mengalirkan arus 1
Ampere tiap drivernya. Sehingga dapat digunakan untuk membuat driver H-bridge
untuk 2 buah motor DC. Pada Gambar II.7 merupakan konstruksi pin driver motor
DC IC l293D adalah sebagai berikut.
27
1. Pada Gambar II.7 merupakan konstruksi Pin Driver Motor DC IC L293D
Gambar II.7 Pin Driver Motor DC IC L293D
2. Fungsi Pin Driver Motor DC IC L293D
Pin EN (Enable, EN1.2, EN3.4) berfungsi untuk mengijinkan driver
menerima perintah untuk menggerakan motor DC.
Pin In (Input, 1A, 2A, 3A, 4A) adalah pin input sinyal kendali motor DC
Pin Out (Output, 1Y, 2Y, 3Y, 4Y) adalah jalur output masing-masing driver
yang dihubungkan ke motor DC
Pin VCC (VCC1, VCC2) adalah jalur input tegangan sumber driver motor
DC, dimana VCC1 adalah jalur input sumber tegangan rangkaian kontrol
dirver dan VCC2 adalah jalur input sumber tegangan untuk motor DC yang
dikendalikan.
Pin GND (Ground) adalah jalu yang harus dihubungkan ke ground, pin GND
ini ada 4 buah yang berdekatan dan dapat dihubungkan ke sebuah pendingin
kecil.
Dengan menggunakan driver motor L293D kini sudah ada shield untuk driver
motor ESP8266 Node MCU sehingga bisa digunakan untuk men-drive 2 buah
motor DC. Pada Gambar II.8 adalah gambar driver motor shield untuk ESP8266
Node MCU.
28
Gambar II.8 Driver Motor Shield ESP8622 NodeMCU
Spesifikasi:
1. Power input: Motor Power (VM): 4.5V ~ 36V dan Control power (VIN): 4.5V ~ 9V (10V MAX),
2. Logic Operating current Iss: 60mA (Vi = L), 22mA (Vi = H); 3. Drive part of the work current Io: 1.2A; 4. Maximum power dissipation: 4W (T = 90 ) 5. Control signal input level: High: 2.3VVIHVIN; Low: -0.3VVIL1.5V 6. Working temperature: -25 ~ + 125 7. Drive Type: Dual high-power H-bridge driver 8. ESP12E Dev Kit Control Port: D1, D3 (A motor); D2, D4 (B motor) 9. SPI, UART, GPIO, AI and 3.3V power connector 10. Power switch
2.1.8 Motor DC
Motor Direct Current (DC) adalah piranti elektronik yang mengubah energi
listrik menjadi energi mekanik berupa gerak rotasi. Pada motor DC terdapat jangkar
dengan satu atau lebih kumparan terpisah. Tiap kumparan berujung pada cincin
belah (komutator). Dengan adanya insulator antara komutator, cincin belah dapat
berperan sebagai saklar kutub ganda (double pole, double throw switch). Motor DC
bekerja berdasarkan prinsip gayaLorentz, yang menyatakan ketika sebuah
konduktor beraliran arus diletakkan dalam medan magnet, maka sebuah gaya (yang
dikenal dengan gaya Lorentz) akan tercipta secara ortogonal diantara arah medan
magnet dan arah aliran arus [13]. Bagian-bagian motor DC ditunjukan pada Gambar
II.9.
29
Gambar II.9 Motot DC
Sehingga pada motor DC dengan gearbox 48:1. Motor dapat bekerja dari
3V-12VDC. Rasio perbandingan 1:48 dapat menghasilkan torsi dan rpm yang
terjaga dan stabil. Pada Gambar II.10 adalah gambar motor DC dan gear box beserta
spesifikasi.
Gambar II.10 Motor dan Gear
Spesifikasi 1. DC motor dengan gearbox terintegrasi. 2. Input tegangan 3 V – 12 V 3. Rasio 1:48 4. Kecepatan (meter/menit): 3v (20), 5v (39), 6v (48) 5. Berat: 50 gram 6. Ukuran: 70mm x 22mm x 18mm
2.1.9 Pulse Widht Modulation (PWM)
Salah satu cara untuk mengatur kecepatan motor DC adalah dengan
mengatur tegangan rata-rata yang masuk ke dalam motor tersebut. Metoda yang
sering digunakan untuk mengatur nilai tegangan rata-rata ini adalah dengan
modulasi lebar pulsa atau lebih dikenal dengan pulse width modulation (PWM),
30
tegangan yang diberikan berupa gelombang segi empat dengan duty cycle tertentu
[4]. Duty cycle merupakan perbandingan antara lama pulsa tegangan aktif terhadap
periodenya [4]. Beberapa contoh bentuk PWM untuk beberapa nilai duty cycle
dapat dilihat pada Gambar II.11.
Gambar II.11 PWM
Pengaturan kecepatan motor dengan metoda PWM ini dilakukan dengan
mengatur duty cycle yang di berikan. Duty cycle didapat dengan persamaan (2.1)
berikut ini :
𝐷𝑢𝑡𝑦 𝐶𝑦𝑐𝑙𝑒 = 𝑡𝑜𝑛𝑇
× 100% (2.1)
Keterangan : ton = waktu konduksi
T = perioda gelombang
Satu hal yang harus di perhatikan dalam pengaturan kecepatan motor dengan
PWM adalah frekuensi dari PWM yang digunakan. Frekuensi ini berhubungan
dengan respons frekuensi dari motor DC yang digunakan. Frekuensi PWM yang
terlalu tinggi biasanya mengakibatkan motor tidak merespons terhadap tengangan
PWM yang masuk karena tegangan yang rapat.
31
3.4 Perangkat Lunak Pendukung
Arduino IDE merupakan software khusus yang dibuat untuk membuat
pemrograman pada arduino, memiliki struktur program yang hampir mirip dengan
bahasa C. Software IDE arduino dapat didownload secara gratis di situsresminya
arduino.co.cc. Dalam satu paket software ini telah disertakan librarycontoh
program, dan beberapa referensi instruksi bahasa arduino.
Bahasa pemograman yang digunakan pada microcontroler adalah
bahasapemograman C/C++ dan dapat di gabungkan dengan assembly, perangkat
lunakyang digunakan adalah IDE (Integrated Development Environment). Pada
microcontroller ini sudah tertanam bootloader sendiri sehingga tidak perlumembuat
downloader eksternal. Layout Arduino IDE ditunjukan pada Gambar II.12.
Gambar II.12 Tampilan Arduino