Pertemuan 3: Sensor dan Aktuator
Salam Pengantar
Assalamualaikum warahmatullahi wabarakatuh.
Pada pertemuan ketiga ini, kita akan mempelajari konsep sensor dan aktuator yang menjadi komponen utama dalam
sistem IoT. Anda akan mengenal cara kerja, jenis-jenis, serta contoh penerapannya dalam berbagai aplikasi.
Tujuan Pembelajaran
- Menjelaskan pengertian sensor dan aktuator.
- Membedakan sensor aktif dan pasif.
- Membedakan sensor analog dan digital.
- Memahami jenis aktuator berdasarkan gerakan dan sumber energi.
- Mengetahui cara memilih aktuator yang sesuai dengan kebutuhan IoT.
1. Sensor
a. Pengertian Sensor
Sensor adalah perangkat yang digunakan untuk
mendeteksi perubahan besaran fisik seperti tekanan,
gaya, besaran listrik, cahaya, gerakan, kelembaban,
suhu, kecepatan dan fenomena-fenomena lingkungan
lainnya.
Setelah mengamati terjadinya perubahan, Input yang
terdeteksi tersebut akan dikonversi menjadi output yang
dapat dimengerti oleh manusia baik melalui perangkat
sensor itu sendiri ataupun ditransmisikan secara
elektronik melalui jaringan untuk ditampilkan atau diolah
menjadi informasi yang bermanfaat bagi penggunanya
(teknikelektronika.com).
Contoh sederhana dari penggunaan sensor adalah
thermometer yang dapat membaca suhu.
b. Jenis Sensor
Sensor pada dasarnya dapat
digolongkan sebagai transduser input
karena mereka dapat mengubah
energi listrik seperti cahaya, tekanan,
gerakan, suhu atau energi fisik yang
lainnya menjadi sinyal listrik ataupun
resistensi yang kemudian akan
dikonversikan lagi ke tegangan
ataupun sinyal listrik.
Secara garis besar, sensor terbagi
menjadi beberapa jenis :
- Sensor Aktif dan Pasif
- Sensor Analog dan Sensor Digital
c. Sensor Aktif dan Pasif
Sensor Aktif:
Sensor Aktif adalah jenis sensor yang membutuhkan
sumber daya eskternal untuk dapat beroperasi. Sifat
fisik Sensor Aktif bervariasi sehubungan dengan efek
eksternal yang diberikannya.
Sensor Aktif ini disebut juga dengan Sensor
Pembangkit Otomatis (Self Generating Sensors).
Contoh: Sensor PIR (Passive Infrared Sensor)
Sensor Pasif:
Sensor Pasif adalah jenis sensor yang dapat menghasilkan sinyal output tanpa
memerlukan pasokan listrik dari eksternal.
Contoh: Thermocouple yang menghasilkan nilai tegangan sesuai dengan panas
atau suhu yang diterimanya.
d. Sensor Analog
Adalah sebuah sensor yang menghasilkan sinyal
output yang kontinu atau berkelanjutan. Sinyal
keluaran kontinu yang dihasilkan oleh sensor
analog ini sebanding dengan pengukuran. Berbagai
parameter Analog ini diantaranya adalah suhu,
tegangan, tekanan, pergerakan dan lain-lainnya.
Contoh : sensor kecepatan, sensor tekanan, sensor
cahaya dan sensor suhu.
Contoh Sensor Analog
- Sensor Cahaya:
Sensor cahaya atau LDR (Light Dependent Resistor) pada dasarnya adalah sebuah
komponen
yang memiliki resistansi yang dapat berubah ubah sesuai dengan cahaya yang diterima.
Sensor ini memiliki 2 kaki yang tidak berpolaritas, sehingga pemasangan boleh terbalik.
- Sensor Tekanan:
Sensor Tekanan atau Pressure Sensor adalah sensor yang digunakan untuk mengukur
besar tekanan
yang dikenakan pada permukaan sensor.
Sensor tekanan akan menghasilkan sinyal keluaran analog (tegangan listrik) yang sebanding dengan
besarnya tekanan yang diberikan.
Sensor piezoelektrik adalah salah satu jenis sensor tekanan yang dapat menghasilkan sinyal
tegangan keluaran yang sebanding dengan tekanan yang diterapkan padanya.
- Sensor Soil atau Kelembaban Tanah:
Modul sensor kelembaban tanah digunakan untuk
mendeteksi tingkat kelembaban tanah yang dapat
diakses menggunakan mikrokontroler. Sensor
kelembaban tanah ini dapat dimanfaatkan pada sistem
pertanian, perkebunan, dll.
Cara kerjanya yaitu kedua ujung sensor mendeteksi
adanya air, jika terdapat air maka resistansi akan
semakin rendah dan konduktivitas akan semakin tinggi,
dan sebaliknya. Hasil konduktivitas tersebut akan
dikonversi dalam bentuk tegangan dan memberikan
input ke mikrokontroler.
- Sensor Gas:
Sensor ini dapat mendeteksi adanya perubahan
kandungan gas pada udara. Gas Sensor tipe Metal
Oxide Semiconductor (MOS) atau Chemiresistors
mendeteksi berdasarkan perubahan resistansi saat
sensor melakukan kontak dengan gas tertentu.
Hasil Pembacaan Sensor Gas
Hasil pembacaan berupa tegangan 0 - 5 volt yang
dikonversi menjadi angka 0– 1024 untuk memudahkan
dalam pemrograman.
- Sensor Heart Rate:
Sensor yang dapat mengukur detak jantung. Sensor ini dilengkapi dengan
photodiode. Photodiode yang sudah terintegrasi dalam komponen APDS 9008
digunakan sebagai penangkap gelombang cahaya yang dipancarkan oleh Infra
Red (IR). Metoda pengukuran detak jantung pada pembuluh darah jari tangan
pada sistem ini menggunakan metoda refleksi, dimana IR sebagai sumber
cahaya dipasangkan sejajar dengan Photodiode sebagai sensor cahaya. Hasil pembacaan berupa tegangan yang
kontinyu
dan dapat diolah menjadi grafik sehingga dalam
rentang waktu tertentu dapat diketahui BPM (Beat
per minute)
e. Sensor Digital
Sensor Digital adalah sensor yang menghasilkan sinyal
keluaran diskrit. Sinyal diskrit akan non-kontinu
dengan waktu dan dapat direpresentasikan dalam
“bit”.
Output digital dapat dalam bentuk Logika 1 atau
logika 0 (ON atau OFF). Sinyal fisik yang diterimanya
akan dikonversi menjadi sinyal digital di dalam sensor
itu sendiri tanpa komponen eksternal.
Contoh : Sensor suhu digital, Sensor PIR, Sensor
Ultrasonik, dll.
Contoh Sensor Digital
- DHT11 (suhu dan kelembaban):
DHT11 merupakan sensor one wire (satu kabel) untuk transfer data.
DHT11 mengirimkan data temperatur dan kelembaban dengan total
40 bit, yang dikelompokkan dalam 5 byte. 2 byte pertama
merupakan data kelembaban dan 2 byte selanjutnya adalah data
temperatur. Bit terakhir adalah pengecekan data.
Cara kerja: Apabila Suhu meningkat, resistansi listrik dari termistor
akan meningkat juga dan sebaliknya. Sensor ini dapat membaca
suhu 0– 50 derajat Celsius dengan toleransi +-2 derajat Celsius.
- Sensor Suhu DS18B20Sensor DS18B20 merupakan sensor digital pembaca suhu dengan
range -55 sd 125 derajat Celsius dengan toleransi 0,5 derajat.
Pembacaan data sensor ini hampir sama dengan DHT11 hanya
berbeda pada jumlah data yang dikirm yaitu 12 bit.
- PIR Motion Sensor (gerakan)Sensor PIR (Passive Infra Red) merupakan
sensor yang memanfaatkan pancaran
gelombang inframerah yang dipancarkan oleh
benda sekitar. Dengan demikian, sensor ini
dapat mengetahui adanya pergerakan yang
ada di depannya.
Jangkauan sensor PIR dengan objek maksimal
12m dengan sudut sebaran 60 derajat.
Untuk memastikan yang dibaca adalah benar-
benar gerakan, terdapat komparator untuk
membandingkan dengan gelombang lain yang
diterima. Jika terdapat perbedaan, maka
output sensor akan mengeluarkan tegangan
listrik.
- Sensor Ultrasonik: Sensor ultrasonik adalah sebuah sensor yang berfungsi untuk mengubah besaran fisis
(bunyi/gelombang ultrasonik) menjadi besaran listrik dan sebaliknya.
Sensor ultrasonik dapat digunakan untuk mengukur jarak dengan suatu benda tertentu.
2. Elemen Unit Pemroses Sensor
Unit pemroses sensor berfungsi mengolah sinyal dari sensor agar dapat digunakan mikrokontroler. Elemen
pemroses meliputi:
- Sensing Unit + Konverter ADC:
Elemen penginderaan (sensing unit) adalah
sebuah perangkat keras, yang bertanggung
jawab untuk mengukur setiap stimulus fisik
(yaitu cahaya, suhu, suara, dll) di lingkungan
untuk mengumpulkan data yang bersangkutan.
Apabila sensor tersebut berjenis analog maka
perlu ditambahakan ADC (Analog to Digital
Converter) agar untuk mengkonversi data
menjadi digital sebelum dibaca oleh
mikrokontroller.
LM35 IC ADC0804
Contoh: Sensor suhu LM35 dibaca oleh IC
ADC0804.
- Pemrosesan + Penyimpanan:
Elemen pemroses (processing unit)
adalah sebuah perangkat keras, yang
bertugas untuk mengolah,
menampilkan, dan menyimpan data
hasil pembacaan sensing unit. Elemen
pemroses minimal memiliki CPU dan
storage dalam beroperasi.
Contoh: Arduino, Raspberry, ESP8266,
ESP32, dll.
- Transceiver:
Sebuah transceiver diperlukan untuk menghubungkan node
sensor ke node lain dalam jaringan untuk transmisi dan
penerimaan data yang diperlukan.
Sebagian besar Industrial, Scientific and Medical band (ISM)
lebih banyak digunakan dalam teknologi sensor yang
memanfaatkan frekuensi bebas dan tiga skema komunikasi
umum, yaitu komunikasi optik (laser), Inframerah (IR), dan
frekuensi radio (RF) telah digunakan sebagai transmisi nirkabel
media.
- Power: membuang noise.
3. Aktuator
a. Pengertian Aktuator
Aktuator adalah sebuah peralatan mekanis untuk
menggerakkan atau mengontrol sebuah mekanisme atau
sistem. Aktuator diaktifkan dengan sistem mekanis yang
biasanya digerakkan oleh motor listrik. Namun ada
aktuator yang menggunakan angin, atau cairan.
Aktuator biasanya adalah suatu output dari suatu sistem
yang dikendalikan mikrokontroller.
Contoh: Motor DC, relay, solenoid valve, servo motor,
stepper motor, dll.
b. Jenis Aktuator
Aktuator Linier
Aktuator yang menciptakan gerak dalam
garis lurus, berbeda dengan gerak melingkar
pada motor listrik konvensional.
Aktuator linier digunakan dalam peralatan
mesin dan mesin industri, di periferal
komputer seperti disk drive dan printer, di
katup dan peredam, dan lain lain.
Aktuator linier dapat dihasilkan dari motor
listrik, pneumatic, dan hidrolik.
Aktuator Putar
Aktuator putar adalah aktuator yang menghasilkan
gerakan putar atau torsi. Aktuator putar yang paling
sederhana adalah murni mekanis dimana gerakan
linier dalam satu arah menimbulkan gerakan rotasi.
Gerakan yang dihasilkan oleh aktuator dapat
berupa rotasi kontinu, seperti untuk motor listrik,
atau gerakan ke posisi sudut tetap seperti untuk
motor servo dan motor stepper.
Bentuk selanjutnya, motor torsi, tidak selalu
menghasilkan putaran apapun tetapi hanya
menghasilkan torsi presisi yang kemudian
menyebabkan rotasi atau diseimbangkan oleh
beberapa torsi yang berlawanan.
Aktuator Elektromagnetik
Aktuator elektromagnetik bekerja dengan memanfaatkan tarikan magnet yang
dihasilkan oleh gaya elektromagnetik.
Contoh : Relay, Solenoid Valve, Motor DC
Contoh Aktuator Elektromagnetik
- Relay:
Relay adalah saklar elektromekanikal yang
digunakan untuk membuka dan menutup
rangkaian listirk serta menstimulasi listrik kecil
untuk mengendalikan katup pada arus yang
lebih besar. Komponen yang menyusun relay
ada diantaranya yaitu elektromagnetik (coil),
armature, switch contact point (saklar), dan
spring.
- Solenoid valve
Solenoid Valve atau katup listrik merupakan
elemen kontrol yang paling sering digunakan
dalam suatu aliran fluida. Tugas solenoid valve
adalah untuk shut off, release, mengalirkan
atau mencampurkan fluida.
Solenoid Valve bekerja secara electromechanically dimana
mereka mempunyai kumparan (coil) sebagai penggeraknya.
Implementasinya banyak di area aplikasi dunia
industry seperti Oil & Gas, steam, petrokimia,
pengolahan limbah, dan sebagainya.
- Motor DC
Motor DC (direct current) merupakan motor yang digerakkan dengan arus searah. Motor DC tersusun
atas lilitan
tembaga pada poros (rotor) dan magnet (stator) disampingnya. Sehingga saat mendapatkan arus listrik, stator
dapat berputar karena adanya fenomena elektromagnetik.
Adapun jenis motor DC yang sering digunakan pada projek iot yaitu Motor Bruses , Motor Servo, Motor Stepper
c. Jenis Aktuator Berdasarkan Sumber Energi
- Listrik:
perangkat elektromekanis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.
Kebanyakan aktuator
elektrik beroperasi melalui interaksi medan magnet dan konduktor pembawa arus untuk menghasilkan
gaya. Proses sebaliknya, menghasilkan energi listrik dari energi mekanik, dilakukan dengan generator
seperti alternator atau dinamo.
Aktuator dan generator listrik biasa disebut sebagai mesin listrik. Terdapat beberapa jenis aktuator
elektrik
yaitu elektromekanikal, elektrohidraulik dan linier motor.
- Pneumatik:
Pada dasarnya sistem berbasis teknik pneumatik ini
menggunakan udara sebagai media operasinya.
Aktuator pneumatik beroperasi sedemikian rupa
sehingga mengubah udara bertekanan yang
diterapkan padanya menjadi perpindahan.
Dua unit utama dari aktuator ini adalah piston dan
diafragma. Dalam jenis aktuator ini, kedua unit ini
menciptakan tenaga penggerak dari udara yang
disuplai.
Pneumatik digunakan dalam berbagai hal, misalnya
pada robotika di mesin-mesin industri.
Pneumatik memerlukan suplai tekanan udara untuk
menggerakkan aktuator. Tekanan udara dapat
menggunakan kompresor.
- Hidrolik:
Aktuator hidraulik (hydraulic actuator) merupakan
komponen sistem hidraulik yang digunakan untuk
menggerakkan beban. Aktuator mengubah tenaga
hidraulik menjadi tenaga mekanik (linear maupun
putar). Sistem hidrolik memiliki rentang tekanan
operasi antara 1 hingga 35 Megapascal.
Sistem aktuator hidrolik menggunakan konsep
Hukum Pascal yang menyatakan bahwa tekanan
yang diberikan pada titik tertentu pada fluida
dalam wadah ditransmisikan secara merata ke
semua arah di dalam fluida serta dinding wadah
tanpa kehilangan apapun.
Komponen utama dari unit ini adalah katup pilot yang juga dikenal sebagai katup spool dan silinder utama
atau
silinder daya. Silinder utama memiliki dua bagian. Kedua daerah ini diperoleh dengan membagi silinder utama
dengan
piston utama. Jadi, ada dua ruang silinder utama. Laju aliran fluida di dalam silinder dikendalikan oleh
katup spool.
d. Cara Memilih Aktuator yang Tepat
- Sesuaikan dengan beban kerja dan gaya yang diperlukan.
- Pertimbangkan kecepatan gerakan.
- Perhatikan konsumsi daya.
- Pastikan kompatibel dengan mikrokontroler.
e. Contoh Penerapan Aktuator dalam IoT
- Kunci pintu otomatis (servo motor): Kunci pintar adalah kunci elektromekanis yang
dirancang untuk melakukan operasi penguncian
dan pembukaan kunci pada pintu ketika
menerima instruksi dari perangkat resmi
menggunakan protokol nirkabel dan kunci
kriptografi untuk menjalankan proses otorisasi.
Pengunci pintu pintar menggunakan solenoid
sebagai aktuator untuk mengunci pintu tersebut.
- Smart Lamp: Lampu rumah pintar bekerja dengan mematikan
dan menghidupkan lampu secara otomatis atau
dikendalikan melalui aplikasi.
Aktuator yang digunakan dalam lampu pintar
adalah relay. Relay bekerja dengan
memanfaatkan medan magnet timbul karena
adanya tegangan listrik.
- Mesin Kopi: Mesin Pengolahan Kopi / Alat Pembuat Kopi adalah alat yang berfungsi untuk memproduksi atau
membuat olahan kopi berupa minuman kopi yang beraneka ragam dan rasa. Dalam mesin kopi
terdapat beberapa aktuator seperti motor stepper, solenoid valve, dan turntable motor.
Penutup
Pemahaman sensor dan aktuator menjadi dasar penting dalam pengembangan sistem IoT yang cerdas dan responsif.
Daftar Pustaka
- Alvis J. Evans. (2010). Basic Electronics. McGraw-Hill.
- Horowitz, P., & Hill, W. (2015). The Art of Electronics. Cambridge University Press.
- Wikipedia Contributors. (2024). Sensor and Actuator entries. Link
Glosarium Istilah
- Sensor
- Perangkat yang mendeteksi perubahan fisik, kimia, atau lingkungan dan mengubahnya menjadi sinyal listrik
yang dapat dibaca sistem elektronik.
- Aktuator
- Perangkat yang mengubah sinyal listrik atau perintah dari pengendali menjadi aksi fisik, seperti gerakan
mekanik atau perpindahan.
- PIR
- Passive Infrared Sensor, sensor gerak yang mendeteksi radiasi inframerah yang dipancarkan oleh objek hidup.
- LDR
- Light Dependent Resistor, sensor cahaya yang resistansinya berubah tergantung intensitas cahaya yang
diterima.
- ADC
- Analog to Digital Converter, komponen yang mengubah sinyal analog kontinu menjadi data digital yang bisa
dibaca mikrokontroler.
- Relay
- Saklar elektromekanik yang dikendalikan sinyal listrik berdaya rendah untuk membuka atau menutup rangkaian
berdaya lebih tinggi.
- Solenoid Valve
- Katup yang dikendalikan oleh kumparan elektromagnetik untuk mengatur aliran fluida.
- Motor Servo
- Motor yang dapat menggerakkan beban ke posisi tertentu dengan sudut presisi, biasanya dikontrol sinyal PWM.
- Motor Stepper
- Motor listrik yang bergerak dalam langkah-langkah diskrit sehingga dapat memutar dengan sudut tertentu
secara akurat.
- Transceiver
- Perangkat yang dapat memancarkan dan menerima data nirkabel dalam suatu jaringan komunikasi.
- Piezoelektrik
- Bahan yang menghasilkan tegangan listrik ketika diberi tekanan mekanis.
- Thermocouple
- Sensor suhu yang menghasilkan tegangan listrik berdasarkan perbedaan suhu antara dua logam berbeda.
- Ultrasonik
- Teknologi pengukuran jarak dengan memanfaatkan gelombang suara frekuensi tinggi di atas pendengaran manusia
(>20 kHz).
- Pneumatik
- Sistem aktuator yang bekerja menggunakan tekanan udara terkompresi.
- Hidrolik
- Sistem aktuator yang bekerja menggunakan tekanan fluida cair untuk menghasilkan gerakan mekanis.
- IoT
- Internet of Things, konsep menghubungkan perangkat fisik ke internet untuk memantau dan mengendalikan secara
jarak jauh.
