Petunjuk Pembacaan Spesifikasi Teknis Thermometer Inframerah

Semua benda yang memiliki panas akan menghasilkan radiasi inframerah sesuai dengan temperatur dari benda tersebut. Penggunaan temperatur inframerah ini dapat dipakai untuk berbagai aplikasi, dari keperluan industri (untuk membaca mesin listrik / mekanik), ataupun keperluan medis (untuk membaca suhu tubuh manusia). Dua artikel sebelumnya saya membahas penggunaan Industrial Grade Thermometer dan Medical Grade Thermometer dan tingkat akurasinya. Melalui artikel ini saya akan membahas cara membedakan keduanya berdasarkan specification sheet atau spesifikasi teknis yang umumnya tersedia di dalam kotak thermometer tersebut atau tercantum pada website penjualan sebelum Anda membeli thermometer itu.

Spesifikasi Penting dari Thermometer Inframerah

Ada empat jenis spesifikasi penting yang perlu dilihat dan diperhatikan secara seksama sebelum membeli thermometer untuk keperluan screening di gedung perkantoran atau ruang publik lainnya:

  1. Rentang temperatur yang ingin di baca
  2. Jenis permukaan objek yang ingin di ukur
  3. Akurasi dari pembacaan temperatur
  4. Luasan target pembacaan temperatur dan jarak maksimum dari target yang diperlukan

Dua spesifikasi teknis di atas adalah spesifikasi teknis dari Thermometer Inframerah untuk Industri (kiri) dan Thermometer Inframerah untuk Medis (kanan). Contoh merk umum dari thermometer industri adalah Fluke, sedangkan contoh merk umum dari thermometer medis adalah Omron.

Rentang Temperatur dan Akurasi

Perbedaan kedua thermometer industri dan medis jelas terlihat pada rentang temperatur dan akurasinya. Umumnya thermometer industri ini memiliki rentang yang sangat ekstrem, dari -36 derajat Celsius hingga 600 derajat Celsius. Sedangkan thermometer medis memiliki rentang temperatur di sekitar suhu tubuh manusia, 32 derajat sampai dengan 42 derajat Celsius. Dalam memilih thermometer, hal terpenting yang perlu di cari dari spesifikasi teknis rentang temperatur adalah pastikan rentang frekuensi sesempit mungkin dan mencakup suhu yang diinginkan.range-industrial

Setelah itu ada akurasi pembacaan, semakin besar rentang pembacaan suhu, semakin besar juga tingkat kesalahan, atau kurangnya akurasi pembacaan suhu. Thermometer industri memiliki spesifikasi teknis yang umumnya +/- 1 derajat Celsius untuk rentang temperatur sekitar suhu tubuh manusia. Thermometer medis memiliki spesifikasi teknis yang umumnya lebih kecil, hingga +/- 0.3 derajat Celsius.range-medical

Jenis Permukaan yang Diukur

Pembacaan temperatur dengan thermometer inframerah berbasis emisivitas cahaya inframerah yang dihasilkan, sehingga jenis benda yang dibaca sangat berpengaruh terhadap pembacaan temperatur. Thermometer industri umumnya memiliki konfigurasi untuk mengatur emisivitas, yang disesuaikan dengan benda yang diukur sesuai dengan jenis permukaan tersebut, yang memantulkan cahaya (emisivitas = 0) atau benda hitam atau blackbody (emisivitas = 1).

Thermometer medis umumnya sudah diatur untuk menggunakan konfigurasi emisivitas yang sesuai dengan warna kulit tubuh manusia. Nilai emisivitas yang sesuai dengan warna kulit manusia memastikan pembacaan yang lebih presisi.

Field of View dari Sensor Inframerah

Pembacaan cahaya inframerah menggunakan suatu sistem optik yang memfokuskan pancaran inframerah dari benda ke detektor inframerah dalam thermometer. Spesifikasi ini disebut Distance to Spot (D:S) ratio. Thermometer kelas Industri umumnya memiliki D:S yang tinggi, dengan D:S sebesar 30:1 dapat dilakukan pembacaan area dengan diameter 5 cm dengan jarak hingga 150cm.fov-industrial

Thermometer kelas medis umumnya memiliki spesifikasi teknis berupa panduan jarak maksimum berdasarkan rata-rata luasan kening manusia. Sebagai contoh, jarak 5 cm sampai 15 cm adalah jarak optimum untuk penggunaan thermometer kelas medis ini.

fov-medical

Thermometer Inframerah untuk Screening

Thermometer inframerah ini tetap memiliki akurasi yang buruk dibandingkan thermometer jenis lainnya sehingga hanya digunakan untuk keperluan screening dan bukan untuk diagnostik apapun. Departemen Kesehatan Hong Kong mengeluarkan pamflet tentang penggunaan thermometer inframerah dengan SOP sebagai berikut:

  1. Pastikan kening (forehead) tidak tertutup oleh benda apapun
  2. Jika di atas 36 derajat Celsius diasumsikan demam
  3. Pembacaan temperatur menggunakan inframerah hanya untuk screening

Kesimpulan dan Saran

Sebagai panduan untuk mengetahui jenis thermometer yang dipakai dalam screening di pintu masuk gedung / ruang publik lainnya, pastikan melihat spesifikasi teknis untuk melihat kemampuan pembacaan rentang temperatur, akurasi, emisivitas, dan distance to spot ratio nya. Hal ini dapat dilakukan untuk mencegah penggunaan Industrial Grade Thermometer untuk keperluan screening gejala demam di pintu perkantoran atau ruang publik lainnya.

Akurasi pembacaan temperatur menggunakan thermometer inframerah perlu diperhatikan sehingga batas bawah demam perlu disesuaikan dengan tingkat akurasi dari alat pembacaan ini. SOP dari pembacaan suhu di gedung seharusnya disesuaikan dengan tingkat akurasi dari alat yang digunakan.

 

Akurasi Thermo Gun Kelas Industri di Gedung dan Ruang Publik

Thermometer menjadi salah satu barang yang menjadi langka akibat wabah COVID-19. Transportasi umum, gedung sekolah, perkantoran, dan ruang publik umum memiliki pemantauan temperatur pengunjung di setiap pintu masuk. Kebutuhan akan thermometer ini menyebabkan suplai yang terbatas dari Thermo Gun menjadi sulit dicari dan harga menjadi tinggi. Di tengah kenaikan harga dan keterbatasan Thermo Gun untuk mengukur suhu tubuh manusia, Thermo Gun untuk keperluan Industri (Industrial-Grade) juga ikut masuk bursa pencarian Thermo Gun. Saya ingin membahas beberapa dasar-dasar pengukuran suhu untuk memperjelas posisi Thermo Gun dalam pembacaan suhu tubuh.

Cara Kerja Thermometer Digital

Thermometer Digital dapat menunjukkan hasil pembacaan suhu secara digital, lebih mudah dibaca dibanding thermometer analog berbasis raksa yang berbahaya. Ada dua jenis thermometer digital yang lazim ditemukan di pasaran, thermometer berbasis thermistor dan inframerah. Thermistor adalah suatu komponen yang nilai resistansinya tergantung oleh suhu sekitarnya. Thermometer digital berbasis thermistor ini cukup akurat karena menggunakan thermistor yang sudah dikalibrasi untuk bekerja di rentang suhu tubuh manusia.  Umumnya thermometer seperti ini digunakan dengan dipasang pada mulut (oral), dubur (rektal), atau ketiak (axillary). Akurasi thermometer ini cukup baik, namun kekurangannya adalah waktu pembacaan yang relatif lama.

thermometers on white surface
Photo by Polina Tankilevitch on Pexels.com

Benda panas menghasilkan pancaran inframerah, konsep ini dipakai untuk membaca temperatur dengan inframerah. Thermometer inframerah ini membaca pancaran sinar inframerah yang dihasilkan panas tubuh manusia untuk mengetahui suhu tubuh. Thermometer untuk tubuh manusia sudah dikalibrasi dan dioptimasi untuk membaca pancaran inframerah yang dihasilkan oleh rentang suhu tubuh manusia. Kelebihan terbesar dari penggunaan thermometer jenis ini adalah pembacaan tidak perlu kontak langsung dan kecepatan pembacaan jauh lebih cepat dibanding menggunakan thermometer berbasis thermistor.

Thermometer inframerah untuk tubuh manusia umumnya sudah terkalibrasi untuk membaca dari kulit manusia, hal ini disebabkan emisivitas cahaya juga tergantung dari warna benda yang memancarkan. Beberapa konsep emisivitas ini menjadi krusial dalam mekanisme pembacaan suhu menggunakan inframerah. Berbagai variabel ini menyebabkan akurasi dari thermometer berbasis inframerah ini lebih buruk dibandingkan thermometer berbasis thermistor.

Image result for body temperature infrared thermometer
Thermo Gun untuk suhu tubuh

Industrial Grade Thermometer dan Medical Grade

Thermometer berbasis infrared ini aplikasinya sangat luas, karena pembacaan suhu tanpa kontak langsung, thermometer ini sering digunakan untuk mesin industri yang dapat memiliki suhu rendah maupun suhu sangat tinggi. Thermometer kelas industri ini memiliki rentang pembacaan temperatur yang sangat luas, sehingga memiliki akurasi yang sangat buruk bahkan jika dibandingkan dengan thermometer kelas medis. Jika akurasi dari thermometer kelas medis ini adalah +/- 1 derajat, thermometer kelas industri ini dapat meleset hingga 4-5 derajat.

Melalui artikel ini saya ingin mengangkat kesadaran akan jenis-jenis thermometer yang tersedia di pasaran, sehingga dalam penanggulangan dan pencegahan penyebaran wabah COVID-19 ini, ada pengetahuan yang memadai bagi pemegang kebijakan dan pengelola ruang publik. Saya ingin menyadarkan para pengelola gedung dan ruang publik untuk mengetahui kekurangan dari thermometer berbasis inframerah, terlebih yang merupakan thermometer untuk aplikasi industri.

Jika thermometer yang digunakan tidak cocok untuk membaca suhu tubuh manusia dengan akurat, bahkan meleset jauh sampai 5 derajat, saya khawatir banyaknya orang yang mengalami gejala demam tidak sadar dan ikut masuk ke dalam kerumunan orang banyak dan meningkatkan penyebaran wabah COVID-19.

Saya mohon jika ada ahli yang lebih berpengalaman dari saya untuk menyampaikan hal ini agar dapat berbicara dan meningkatkan kesadaran akan hal ini agar pengelola ruang publik dapat mengetahui hal ini dan memastikan alat yang dipakai sudah sesuai untuk mendeteksi gejala COVID-19 dengan baik.

Karena belum ada ahli yang berbicara, izinkan saya mengutip dari video oleh ahli penginderaan suhu berbasis inframerah dari Amerika Serikat, Jim Seffrin:

Industrial Grade atau Medical Grade: Pembacaan Thermo Gun di Gedung Publik

Thermometer berbasis infrared menjadi marak digunakan di berbagai pintu masuk ruang publik ataupun perkantoran. Hal ini dilakukan demi memastikan semua orang yang masuk ke dalam ruangan publik ini tidak memiliki gejala-gejala COVID-19. Penggunaan termometer ini sangat efektif untuk mendapatkan pembacaan yang cepat, sesuai dengan kebutuhan screening di pintu masuk yang mempunyai lalu lintas yang tinggi.

Dilihat dari sisi Biomedical Engineering, ada dua cara pembacaan temperatur secara digital yang dapat dilakukan, menggunakan thermocoupling dan thermistor: bentuk termometer yang biasa masuk rektum atau mulut, atau menggunakan infrared, bentuk thermogun yang untuk membaca temperatur di dahi atau di kuping. Umumnya yang dipakai di gedung adalah yang berbasis thermogun karena kecepatan pembacaannya. Namun dia memiliki kekurangan yaitu pembacaan yang bisa kacau akibat suhu lingkungan atau akibat cahaya inframerah dari pantulan cahaya matahari.

Beberapa hari ini, saya lihat berbagai keluhan dari teman-teman yang mendapatkan angka pembacaan di bawah 35 derajat, secara medis ini jelas tidak mungkin. Dengan background Elektronika dan sempat belajar Instrumentasi Biomedik, saya kurang lebih tahu sedikit tentang mekanisme alat berbasis Infrared ini.

Analisanya sederhana, ada dua tipe thermo-gun yang tersedia di pasaran. Thermo gun yang dikhususkan untuk keperluan industri, untuk mengukur temperatur mesin yang sangat panas, jauh di atas 100 derajat Celsius, dan ada yang dikhususkan untuk keperluan medis, untuk mengukur suhu tubuh manusia. Hal yang perlu diperhatikan apakah bagian Biro Umum yang umumnya menguruskan hal ini dalam pengadaan thermo gun mengetahui spesifikasi ini?

Thermo Gun untuk keperluan industri ini memang kapabel untuk melakukan pengukuran, namun dapat meleset jauh untuk pembacaan di rentang suhu tubuh manusia.

Melalui tulisan ini, saya ingin memberi kritik dan masukan kepada pemegang kebijakan untuk merevisi kembali SOP dan tata laksana pembacaan suhu berbasis Thermo Gun, agar tepat sasaran, tepat guna, dan efektif dalam memberikan informasi yang sesuai untuk mencegah penyebaran virus Corona.

Saya rasa Expert di bidang ini di Indonesia masih terbatas, saya harap ada expert yang lebih memiliki kapabilitas menjelaskan ini untuk dapat merevisi penggunaan Thermo Gun yang kurang tepat. Berikut saya juga cantumkan salah satu demonstrasi yang dilakukan oleh praktisi dan ahli Thermal Imaging dari Amerika Serikat:

They said that drastic times calls for desperate measures, but one should not be too desperate to choose something that is ineffective or inaccurate – Jim Seffrin

“Mereka bilang waktu genting membutuhkan tindakan darurat, namun kita tidak boleh tergesa-gesa sehingga memilih sesuatu yang tidak efektif dan tidak akurat” – Jim Seffrin

 

Carrier Resolved Photo-Hall Effect: Penemuan Baru Dikepalai Ilmuwan Indonesia

“Kalau bisa masuk artikel di Nature, itu sudah keren banget”, kalimat itu sering dilontarkan oleh salah satu pengajar Pengantar Nanoelektronik di Universitas Indonesia. Kali ini, ada berita yang bisa membuat orang Indonesia turut berasa bangga. Tim peneliti IBM, dikepalai oleh Oki Gunawan, PhD, menemukan fenomena fisika baru, fenomena ini dinamakan Carrier Resolved Photo-Hall Effect. Artikel inipun sudah di terima oleh Nature dan sudah dapat dibaca oleh semua orang. Ini bukan sesuatu yang mudah, perjalanan panjang sudah dilalui oleh bapak Oki Gunawan dan tim, terdapat beberapa pemberitaan dari media online Kompas, sayang sekali jurnalis media tersebut hanya melakukan transliterasi dari sebuah artikel dari media online bahasa Inggris lain sehingga banyak hal  yang hilang dalam terjemahan (baca: https://sains.kompas.com/read/2019/10/24/070300523/tim-fisikawan-indonesia-ungkap-rahasia-140-tahun-dalam-elektronika?page=all).

Artikel blog ini saya tulis karena mengingat perkataan dosen saya waktu kuliah, takjub atas tembusnya artikel ini di Nature. Melihat isinya pun, saya melihat banyak sekali aplikasi di bidang semikonduktor yang dapat terbantu oleh penemuan ini. Melihat bahwa penulis utama dan peneliti utama dari tim IBM ini adalah seorang ilmuwan asal Indonesia memberikan rasa kebanggaan dan motivasi, saya harap teman-teman yang membaca artikel ini bisa ikut termotivasi dengan pencapaian ini.

Sistem Baris Dipol Sejajar (Parallel Dipole Line System)

Seperti yang sering terjadi di dunia Fisika dan sains pada umumnya, penemuan ini dibantu oleh ditemukannya penemuan lain. Pada tahun 2015, tim IBM ini menemukan efek medan magnetik baru, diberi nama efek punuk unta (camelback effect). Efek ini merupakan bagian penting dari penemuan jebakan magnetik baru, yang disebut jebakan magnetik baris dipol sejajar (parallel dipole line). Jebakan magnet ini dapat dikembangkan untuk aplikasi sensor, seperti seismometer atau tiltmeter. Namun saat elemen jebakan magnet ini diputar, dapat menghasilkan osilasi medan magnet murni (sinusoidal), yang searah dan kuat.

camelback
Gambar 1. Efek punuk unta dan sistem baris dipol sejajar

Melihat Detil Pembawa Muatan dengan Efek Foto-Hall

carrier-resolved-photo-all
Gambar 2. Perkembangan dari Hukum Ohm (1827), Efek Hall (1879) hingga Carrier Resolved Photo-Hall Effect (2019)

Selama ini terdapat dua cara untuk mengetahui pergerakan muatan dalam sebuah bahan konduktor/semikonduktor. Hukum Ohm dan Efek Hall adalah kedua cara yang paling umum. Hukum Ohm tidak asing lagi, walaupun kita biasa mengenalnya dengan (V = IR), namun bisa juga kita tuliskan sebagai J = \sigma . E. Dimana jika ada bahan semikonduktor/konduktor yang kita berikan medan listrik tertentu, kita dapat mengukur densitas arusnya, untuk mendapatkan konduktivitas dari bahan tersebut. Dengan Efek Hall , kita dapat menambahkan medan magnet yang menyebabkan adanya gaya Lorentz pada pembawa muatan tersebut sehingga kita dapat mengetahui pergerakan pembawa muatan mayoritas di bahan semikonduktor tersebut. Penemuan baru oleh tim IBM ini menambahkan foton, sebuah eksitasi selain medan listrik dan medan magnet, untuk mendapatkan informasi lebih detil tentang muatan tersebut.

Carrier Resolved Photo-Hall Effect (CRPH) menggunakan osilasi medan magnet (dari perputaran PDL) dan penambahan cahaya atau foton (photon). Seperti yang kita ketahui, jika foton mengenai sebuah bahan semikonduktor, akan menghasilkan sepasang elektron dan lubang (hole). Kedua pembawa muatan (mayoritas dan minoritas), yaitu hole dan elektron masing-masing membuat nilai konduktivitas (\sigma) dan koefisien Hall (H) berubah sesuai dengan jumlah foton yang diterima. Dengan memetakan nilai konduktivitas dan koefisien Hall sebagai fungsi terhadap intensitas cahaya (foton), ditemukan hubungan antara konduktivitas dan koefisien Hall. Informasi yang terkubur dari relasi ini adalah perbedaan mobilitas dari kedua pembawa muatan, yang dapat dijabarkan dengan rumus: \Delta\mu = \frac{d\sigma^2H}{d\sigma}

Dengan efek Hall klasik, kita dapat menemukan densitas pembawa muatan mayoritas dan mobilitasnya, dengan perbedaan mobilitas yang ditemukan oleh pengukuran menggunakan CRPH, tim ini dapat menemukan nilai densitas pemabawa muatan minoritas dan juga mobilitasnya. Selain dari penemuan teori ini, tim IBM melaporkan penggunaan osilasi medan magnet dan metode penguncian frekuensi dan fasa yang dapat menghilangkan frekuensi lain yang hanya berupa derau (noise) dengan deteksi menggunakan lock-in. Selain mobilitas muatan, parameter lain yang dapat ditemukan adalah masa hidup pembawa muatan (carrier lifetime) dan panjang difusi (diffusion length) dari masing-masing pembawa muatan. Hal ini dilakukan dengan mengambil data sebanyak N kali untuk masing-masing jumlah intesitas cahaya yang berbeda.

Kenapa Penemuan ini Penting?

Semua perangkat elektronik yang kita pakai ini adalah hasil dari perjalanan panjang perkembangan teknologi semikonduktor. Semikonduktor adalah bahan yang dapat diatur konduktivitasnya. Bahan ini adalah bahan terpenting dalam semua perangkat elektronik. Untuk mengetahui lebih lanjut fenomena fisika yang terjadi di sebuah bahan semikonduktor, diperlukan beberapa pengukuran parameter-parameter pembawa muatan listrik (charge carrier), mulai dari mobilitas, densitas pembawa muatan, masa hidup rekombinasi pembawa muatan minoritas, dan panjang difusi pembawa muatan ini. Dengan mempunyai metode untuk mendapatkan informasi-informasi ini, karakteristik fisik dari bahan-bahan semikonduktor generasi baru dapat diketahui dengan detil. Bahan semikonduktor baru dapat memberikan jalan bagi perangkat-perangkat elektronik yang lebih baik, mulai dari sel surya, devais optoelektronik lainnya, bahkan untuk pengembangan devais-devais terbaru lainnya.

Akhir kata, penemuan ini memberi pembaharuan dari fenomena elektromagnetik yang berumur 140 tahun, perjalanan panjang dari fenomena Hukum Ohm yang hampir 200 tahun. Saya berharap dengan tulisan ini, teman-teman yang sedang belajar dan ingin mendalami dunia elektronika dapat termotivasi, Terutama untuk junior-junior di Universitas Indonesia yang lanjut mengerjakan Organic Light Emitting Diode maupun Perovskite Solar Cell. Namun secara umum, tulisan ini saya harap juga dapat menjadi uplifting news bagi khalayak umum, bahwa peneliti asal Indonesia mampu menemukan fenomena Fisika yang dapat melanjutkan hukum Ohm dan efek Hall.

MQTT Publisher dan ThingsBoard untuk Sistem Monitoring Kualitas Udara

MQTT adalah salah satu protokol di atas TCP/IP yang cukup favorit digunakan untuk mengirimkan data dari perangkat IoT ke sebuah server. Berkenaan dengan sistem monitoring kualitas udara di Jakarta yang ingin saya kembangkan, MQTT menjadi protokol pilihan dalam pengiriman dari sensor ke ThingsBoard server. ThingsBoard adalah platform IoT yang menyediakan infrastruktur di sisi server, terdiri dari database, MQTT broker dan web server yang juga terdapat dashboard. Kompleksitas di sisi server sudah tidak lagi menjadi permasalahan untuk sistem pemantauan ini, sehingga sisi kompleksitas berada pada pengembangan perangkat sensor dan jaringan penunjang koneksi MQTT nya.

Komunikasi MQTT

Menurut pendapat saya, terdapat dua solusi yang menjamur untuk komunikasi IoT dengan MQTT, yaitu dengan WiFi dan GPRS. ThingsBoard juga sepertinya setuju dengan memberikan SDK Arduino untuk MQTT dengan SIM900 dan ESP8266, yang dapat dibuka di link ini. Komunikasi MQTT dengan GPRS dapat menggunakan berbagai modul GSM 2G yang tersedia dengan harga yang relatif murah. Walaupun pemakaian 2G semakin berkurang dan provider telepon seluler akan mematikan jaringan 2G secepatnya, namun Telkomsel masih akan meneruskan jaringan 2G karena hampir 50% penggunanya masih menggunakan 2G. Untuk sensor dengan umur 1 tahun seperti SDS011, penggunaan modul GSM 2G masih masuk akal.

Penggunaan WiFi juga sudah menjamur, sehingga memasang sensor di sekitar jaringan WiFi juga sangat memungkinkan. WiFi dalam IoT menjadi sangat prevalen akibat pengembangan mikrokontroler ESP8266, dan selanjutnya ESP32. ESP8266 menjadi populer karena ESP8266 merupakan chip dengan WiFi dengan TCP/IP dan dapat digunakan sebagai mikrokontroler. ESP8266 dapat dipasang berbagai SDK, salah satunya adalah Arduino SDK sehingga dapat diprogram layaknya Arduino dengan menambahkan Arduino Core untuk ESP8266 melalui Boards Manager Arduino IDE.

ESP8266/ESP32 atau Arduino Pro Mini

Komunikasi di MQTT dengan Arduino IDE dapat diakses dengan menggunakan library PubSubClient. Keduanya dapat digunakan di ESP8266 maupun Arduino berbasis ATmega328P. Modul GSM800 dapat terkoneksikan dengan mudah dengan Atmega328P karena penggunaan TinyGSM library yang menggunakan Flash memory dan RAM yang rendah. TinyGSM juga dapat digunakan dengan PubSubClient dan ThingsBoard sudah mengembangkan wrapper untuk PubSubClient agar dapat dengan mudah dikoneksikan dengan MQTT broker ThingsBoard. Di sisi lain ESP8266 dapat langsung menggunakan PubSubClient.

Arduino berbasis ATmega328P ProMini maupun ESP8266 dapat dijalankan dengan sinyal digital 3.3V. Sensor BME280, SDS-011, maupun modul GSM yang dipakai menggunakan komunikasi dengan 3.3V. Pro Mini dan ESP8266 merupakan pilihan yang cocok untuk sensor-sensor ini. Perlu dilakukan perbandingan antara solusi Pro Mini + TinyGSM dan ESP8266 untuk mengetahui kelebihan dan kekurangan dari masing-masing pendekatan.

Uji coba selanjutnya yang akan saya bahas di artikel setelah ini adalah bagaimana menghubungkan Pro Mini dan SIM800L dengan ThingsBoard dan/atau ESP8266 dengan ThingsBoard melalui MQTT. Bagian ini merupakan bagian penting yang menentukan pengembangan perangkat keras selanjutnya berdasarkan uji coba konsep yang sudah dilakukan dengan Raspberry Pi dan Python.

SDS011 BME280 and MQTT

Sambil menunggu kedatangan sensor SDS011, saya menulis artikel singkat bagaimana cara untuk mengambil data dari BME280 dan mengirimkannya ke ThingsBoard. Namun terganggu dengan adanya mati listrik hari Minggu dan Senin, sehingga pada hari Senin sensor sudah datang maka saya putuskan untuk menuliskan artikel lengkap percobaan dengan BME280, SDS011, dan MQTT

Modul Python Adafruit untuk BME280

Modul Python untuk BME280 sudah disediakan oleh Adafruit dengan CircuitPython. CircuitPython ini hanya bisa dijalankan di Python 3, Adafruit sudah memiliki tutorial sendiri bagaimana cara menyiapkan CircuitPython di Raspberry Pi. Langkah-langkah detil untuk mempersiapkan Raspberry Pi untuk menggunakan CircuitPython dapat dilihat di link ini, namun saya akan merangkum dengan singkat.

Hal pertama pastikan Raspberry Pi anda sudah diupdate:

# apt update
# apt upgrade

Pastikan bahwa di Raspberry Pi sudah ada PIP untuk Python3

# apt install python3-pip

Untuk menggunakan sensor BME280 dengan I2C maupun SPI pastikan Anda sudah menyalakan I2C dan SPI melalui command line tool:

# raspi-config

Setelah memastikan semua dependencies sudah terinstal di Raspberry Pi, instalasi untuk Python dapat dilakukan dengan command:

# pip3 install adafruit-circuitpython-bme280

Setelah instalasi Adafruit-CircuitPython-BME280, modul adafruit_bme280 sudah dapat diakses dari Python3, semua dependencies dalam Python3 yang dibutuhkan juga sudah terinstalasi. Sensor I2C memiliki address tertentu dan umumnya bisa diubah dengan menggunakan pull-down atau pull-up resistor di pin ADR. BME280 oleh Adafruit memiliki pull up resistor di ADR, sehingga address nya 0x77, lalu modul China yang umum dijual menggunakan pull-down resistor di pin ADR sehingga address nya 0x76. CircuitPython module untuk BME280 yang disediakan Adafruit menggunakan addrses 0x77, namun dapat diubah pada Class initialization dalam script Python. Contoh program ini sudah tersedia di GitHub saya.

SDS-011 dengan Python Serial

SDS011 mengirimkan data dari serial menggunakan USB converter (CH340), driver untuk CH340 sudah tersedia di Linux, sehingga yang diperlukan hanyalah modul Python untuk mengakses data Serial. Karena BME280 menggunakan Python3, maka untuk PySerial digunakan Python3. Instalasi PySerial dapat dilakukan dengan PIP3

# pip3 install PySerial

Setelah instalasi PySerial, koneksikan sensor dengan USB ke Raspberry Pi dan jalankan script yang sudah tersedia di GitHub saya, maka akan terlihat pembacaan sensor PM2.5 dan PM10 di tampilan layar.

Publisher MQTT untuk Python

Setelah data sensor sudah dibaca oleh script Python, module paho-mqtt dapat dipakai untuk mengirimkan data ke MQTT broker, untuk saat ini saya menggunakan ThingsBoard. Untuk mengirimkan telemetry dengan ThingsBoard, yang diperlukan adalah token akses untuk device yang sudah digenerate di ThingsBoard. Pengiriman data telemetri ke ThingsBoard memiliki topic tertentu yakni ‘v1/devices/me/telemetry’, data yang dikirimkan di format dengan JSON. Data ini diterima oleh ThingsBoard dan dapat dibuat Dashboard seperti Gambar di bawah ini.

dashboard.png

Dengan hasil pembacaan dengan dashboard ini, saya mengakhiri tulisan kali ini yang menunjukkan bagaimana sebuah sistem dengan BME280 dan SDS011 dapat mengirimkan informasi realtime tentang kualitas udara menggunakan ThingsBoard dan MQTT.

Sensor PM2.5

Artikel ini termasuk dari seri pembahasan solusi PolusiJakarta. Saat melihat sensor rendah biaya, saya melihat beberapa opsi yang tersedia di Tokopedia, tentu sebelum membuat purwarupa, kita perlu mencari sensor-sensor yang sudah tersedia di pasaran Indonesia terlebih dahulu sebelum memilih sensor-sensor lain.

Sensor SHARP GP2Y1010AU0F

Sensor kualitas udara yang pertama kali saya lihat adalah sensor dari SHARP yaitu GP2Y1010AU0F. Harganya cukup murah, umumnya dibawah 100rb.

 

dust sensor principles
Gambar 1. Sensor SHARP GP2Y1014AU0F dan cara kerjanya

Prinsip nya menggunakan LED infrared dan fototransistor (phototransistor). LED infrared akan menyala dan fototransistor akan membaca cahaya yang sudah dipengaruhi oleh adanya debu partikulat yang masuk melalui lubang sensor. Cara kerja sensor ini sederhana, yang diperlukan adalah LED drive dari mikrokontroler dan pembacaan sinyal analog. Namun kelemahan dari sensor ini adalah tidak dapat membedakan PM10 dan PM2.5, sensor ini mungkin cukup untuk memantau kondisi debu di dalam ruangan.

Sensor Nova SDS011

Sensor kualitas udara ini masih cukup hangat dibicarakan oleh beberapa paper lingkungan, dan banyak tersedia di AliExpress karena merupakan buatan China. Sensor ini tersedia di Tokopedia juga dengan margin yang cukup besar, namun dibandingkan ongkos kirim dan waktu menunggu barang dari China, saya rasa opsi ini cukup menarik.

Gambar 2. Nova PM Sensor

Membaca beberapa paper yang membahas sensor ini, saya menjadi condong untuk memakai sensor ini. Melihat produknya yang sudah memiliki built-in fan dan sudah tersedia TTL-to-USB converter dengan kabelnya, saya cukup yakin untuk memulai pengembangan dengan modul ini, karena hal ini berarti sensor dapat dengan mudah dikoneksikan dengan komputer dan menggunakan program Serial sederhana untuk mendapatkan data.

Awalnya saya cukup ragu dengan adanya built-in fan yang mungkin akan memakan arus yang berlebih, maka saya putuskan untuk membaca datasheet sebelum mengambil keputusan.

Sensor SDS011 ini dapat mengukur PM2.5 dan PM10 dan mengirimkan hasil pembacaannya dengan PWM dan TTL UART. Level tegangan dari sensor ini adalah 5V, disuplai daya 5V dengan arus rating sebesar 70mA. Sensor ini mengeluarkan data setiap 1 detik dan memiliki titik operasional -10 sampai 50 derajat Celsius , kelembaban sampai dengan 70%, tekanan udara 86KPa – 110 KPa.

USB-to-TTL, daya yang masih di bawah 0.5W, dependensi terhadap temperatur, kelembaban, dan tekanan udara. Hal ini memicu saya untuk mencoba sensor ini dengan Raspberry Pi, di mana saya dapat menghubungkan sensor BME280 bersamaan dengan sensor SDS011 ini yang terhubung dengan USB.

Saya memutuskan untuk membeli sensor ini dari Tokopedia, saya harap bisa mulai menggarap sensor ini dan menggunakan BME280 sebagai pembanding dan membuat purwarupa operasional secepat mungkin.