RESUME

RANCANG BANGUN SISTEM OTOMATISASI

IRIGASI PIPA LAHAN SAWAH BERBASIS TENAGA SURYA

Oleh Sudirman Sirait, Satyanto K. Saptomo, M. Yanuar J. Purwanto

Jurnal Irigasi  – Vol. 10, No. 1, Mei 2015

Rancangan irigasi untuk pemberian air yang optimal dilengkapi dengan sistem kontrol otomatis dapat menjaga permukaan air di lahan sawah pada level tertentu sesuai kebutuhan tanaman, dapat meningkatkan produktivitas dan efisiensi penggunaan air irigasi di lahan sawah. Sistem kontrol otomatis dibangun dengan memanfaatkan teknologi digital, mikrokontroler dan jaringan sensor. Mikrokontroler Arduino Uno ATMega328P digunakan sebagai system kendali otomatis untuk menggerakkan sistem aktuasi kran air elektris Valworx 561086 berdasarkan kelembaban tanah dan tinggi muka air di lahan sawah yang dideteksi oleh sensor. Nilai tinggi muka air di lahan sawah diatur antara 0 cm dan 5 cm sebagai setpoint bawah dan atas untuk acuan dalam menggerakkan sistem aktuasi kran air elektris Valworx 561086. Sistem mikrokontroler membatasi durasi waktu untuk pengaturan pembukaan maupun penutupan kran air elektris Valworx 561086 selama 300 detik dengan rotasi 90° yang dapat menghemat penggunaan daya baterai. Sistem ini didukung oleh energi surya yang terdiri dari panel surya, charger contoller dan baterai, dan dapat beroperasi 24 jam tanpa pengawasan oleh operator. Ujicoba operasi di lahan sawah dilakukan dengan menerapkan irigasi terputus (intermittent) dan air irigasi tidak mengalir  secara  terus  menerus.  Hasil percobaan menunjukkan bahwa sistem kontrol irigasi otomatis bisa menjaga tinggi muka air di lahan sawah antara rentang setpoint yang diinginkan.

Perancangan Sistem Kontrol Otomatis

Tahap perancangan yang dilakukan adalah perancangan software dan perancangan hardware. Pada tahap perancangan software dilakukan pembuatan dan penyesuaian program untuk melakukan serangkaian pengujian sistem otomatis. Penulisan program kendali ditulis di halaman Arduino Uno. Bahasa pemograman didasarkan pada bahasa pemograman C/C++. Pada tahap perancangan hardware terdiri atas sensor water level, sensor soil moisture, mikrokontroler Arduino Uno ATMega328P, kran air elektris Valworx 561086, baterai DC 12 volt, relay, panel surya dan solar charge controller, terminal barrier, modul RTC dan micro SD.

Sensor water level memiliki empat pin yang memiliki fungsi masing-masing. Pin 1 merupakan Vin 24, pin 2 merupakan ground dan VOut merupakan penggabungan pin 3 dan pin 4. Sensor water level yang digunakan pada penelitian ini sebanyak 2 buah yang digunakan untuk kontrol dan monitoring tinggi muka air di lahan percobaan. Setiap kaki pada sensor dihubungkan dengan mikrokontroler, dimana kaki Vin dihubungkan ke port 5 V, kaki ground dihubungkan ke port ground dan kaki Vout dihubungkan ke port analog serial A1 dan A2 pada mikrokontroler.

Rangkaian Sensor Water Level

Sensor soil moisture vegetronix VH400 digunakan untuk mendeteksi kelengasan tanah yang memberikan keluaran voltase yang menunjukkan level lengas tanah basis volume (volumetric water content/vwc). Sensor soil moisture memiliki tiga pin yaitu bare, red, dan black. Pin bare sebagai ground, pin red sebagai Vin (3,3 V – 20 VDC) dan pin black sebagai output sensor (0 –3 V). 

Rangkaian sensor soil moisture hampir sama dengan rangkaian sensor water level. Setiap kaki pada sensor dihubungkan dengan mikrokontroler, dimana kaki Vin dihubungkan ke port 5 V, kaki ground dihubungkan pada port ground dan kaki Vout dihubungkan pada port analog serial A0 pada mikrokontroler. Sensor water level dan sensor soil moisture berkomunikasi dengan komputer melalui USB serial port. Komputer berfungsi sebagai antar muka pengguna untuk memonitor dari hasil pembacaan sensor, waktu dan aktivitas sistem kendali irigasi, serta untuk mengubah setting pengendalian yang diinginkan. Komponen ATMega328P berfungsi sebagai pengolah keseluruhan data input analog sensor water level dan sensor soil moisture, sehingga didapatkan nilai level muka air dan kadar air tanah pada lahan percobaan. Pada blok mikrokontroler juga dipasang modul real time clock (RTC) dan micro SD sehingga dapat merekam data hasil pembacaaan sensor yang disertai dengan waktu pengukuran. Modul RTC dan micro SD dipasang pada port 3 volt, port ground, port digital 10, port digital 11, port digital 12, dan port digital 13 yang terdapat pada mikrokontroler.

Pada blok mikrokontroler terdapat beberapa rangkaian, antara lain relay sebagai saklar otomatis untuk menghidupkan atau mematikan sistem, terminal barrier, panel surya dan solar charge controller sebagai pendukung system dengan pemanfaatan tenaga surya, baterai 12 volt sebagai sumber tegangan listrik yang akan dialirkan melalui relay untuk menggerakkan motor kran air elektris Valworx 561086 yang berfungsi sebagai buka-tutup aliran air yang akan mengalir ke jaringan irigasi (outlet irigasi).

Skema Rangkaian Hardware

Nilai setpoint level muka air lahan percobaan ditentukan pada ketinggian 0 sampai 5 cm. Ketika level muka air dilahan percobaan berada di bawah 0 cm, maka mikrokontroler akan memberikan sinyal untuk mengaktifkan relay yang akan mengaktifkan motor kran elektris untuk buka. Demikian juga sebaliknya ketika level muka air di lahan percobaan berada di atas 5 cm, maka mikrokontroler akan memberikan sinyal untuk mengaktifkan relay dan menggerakkan motor kran elektris untuk tutup. Sistem pengaturan air akan menjadi lebih akurat karena proses kendali dilakukan dengan sistem microcontroller dan tinggi level muka air tidak hanya dapat dipantau tetapi juga dapat diukur.

Pemasangan Sistem Kontrol Otomatis pada Jaringan Irigasi Perpipaan

Rancangan jaringan irigasi dipasang pada lahan sawah berukuran 52 x 17 m dengan menggunakan sistem perpipaan dan memanfaatkan gaya gravitasi dengan beda elevasi reservoir dengan lahan sawah sebesar 50 cm. Pipa utama yang berdiameter 6 inchi mengalirkan air ke pipa manifold yang berdiameter 3 inchi yang merupakan outlet irigasi. Gambar berikut memperlihatkan instalasi jaringan irigasi sistem perpipaan di lahan sawah.

Lay-out jaringan irigasi pipa denganmemanfaatkan teknologi otomatis

Pipa manifold dilengkapi dengan motor kran elektris yang dikendalikan dengan sistem kontrol otomatis berdasarkan setpoint tinggi muka air di lahan sawah. Jarak outlet ditentukan berdasarkan analisis hidraulika aliran dalam pipa dan keseragaman debit sesuai dengan kebutuhan air oleh tanaman. 

Tinggi muka air di lahan percobaan sebagai acuan kendali pengaturan kran elektris dideteksi dengan mempergunakan sensor water level  yang diletakkan di bagian tengah sawah dengan setpoint bawah 0 cm dan setpoint atas 5 cm dari permukaan tanah. Sedangkan untuk mendeteksi kelengasan tanah digunakan sensor soil moisture yang di tanam pada lahan percobaan dengan kedalaman antara 5 – 10 cm (Cardenas-Lailhacar dan  Dukes, 2010).

Tata Letak Sensor di Lahan Sawah