SISTEM MONITORING KUALITAS UDARA UNTUK MENDETEKSI GAS VOC BERBASISKAN IoT
Panji Martono dan Benfano Soewito
Beberapa tahun terakhir, berbagai penelitian ilmiah mengindikasikan bahwa udara dalam rumah dan bangunan lainnya bisa lebih buruk kualitasnya dibanding dengan udara di luar ruangan, bahkan di kota-kota besar dan lingkungan industrial. Penelitian lain juga membuktikan bahwa orang menghabiskan sekitar 90% dari waktunya di dalam ruangan (Bhattacharya, Sridevi, & Pitchiah, 2012).
Sementara itu ada banyak faktor yang mempengaruhi kualitas udara dalam ruangan, antara lain, temperatur, kelembaban, sirkulasi dan kualitas udara luar, atau eksposur pada polutan dan kimiawi. Elemen-elemen lain yang lebih penting untuk diperhatikan adalah Volatile Organic Compounds (VOC) atau senyawa organic yang mudah menguap yang terdapat di bahan material bangunan, seperti dari cat, pelarut cat, dan produk yang menggunakan kayu komposit dan juga dari kegiatan memasak, merokok, membakar kayu dan bahkan dari membaca koran (Tran, Dang, & Chung, 2017).
Menghirup VOC dalam kadar rendah untuk jangka waktu yang lama dapat meningkatkan risiko terhadap masalah kesehatan. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa paparan VOC dapat membuat gejala lebih buruk untuk orang dengan asma atau yang sangat sensitif terhadap bahan kimia. Menghirup VOC secara terus menerus dalam jangka panjang dapat mengakibatkan penyakit kronis contohnya kanker, kerusakan liver dan ginjal serta pusat sistem syaraf. Sedangkan dampak yang dirasakan dalam jangka pendek antara lain iritasi mata, hidung dan tenggorokan, sakit kepala, mual dan muntah, dan pusing. (John D. Spengler, 2001)
Sulit untuk mendeteksi keberadaan gas VOC tanpa peralatan yang memadai karena pada umumnya VOC tidak dapat dilihat, tidak berbau, tidak dapat dirasakan dan tidak memiliki warna. Oleh karena itu, solusi yang baik untuk mendeteksi keberadaan VOC diperlukan.
Menghirup VOC tanpa disadari dapat menghasilkan berbagai efek kesehatan yang merusak. Sebagai contoh, zat kimia bernama Benzena dan Tetrakloretilen termasuk dalam Kelompok 1 Karsinogen, yang diklasifikasikan oleh Badan Internasional untuk Penelitian Kanker. Organisasi Kesehatan Dunia (WHO) mengemukakan bahwa tidak ada batas ambang yang aman untuk zat kimia Benzena, baik sedikit ataupun banyak dapat mengakibatkan penyakit geno- dan hemato-toksik yang merugikan (Amit U. Raysoni, 2017).
Subkelompok populasi yang sensitif seperti wanita hamil, anak-anak dengan asma atau gejala pernapasan lainnya, dan orang lanjut usia paling rentan terhadap pencemaran yang terjadi di lingkungan mereka. Anak-anak sekolah dasar menghabiskan sekitar enam hingga delapan jam per hari di berbagai lingkungan sekolah (ruang kelas, dan taman bermain). Oleh karena itu, menilai paparan racun udara terhadap mereka diperlukan untuk merumuskan intervensi dan kebijakan untuk lingkungan yang lebih sehat.
Sebagai hasil dari kombinasi kemajuan teknologi dalam elektronik, jaringan, komputasi dan robotik, mengembangkan sistem sensor canggih dengan biaya rendah menjadi hal yang bisa dilakukan. Dalam beberapa tahun terakhir, penerapan paradigma Internet of Things (IoT), bersama dengan perkembangan teknologi lainnya, telah memungkinkan pengerjaan dan otomatisasi tindakan tertentu.
Salah satu penelitian mahasiswa MTI adalah mengusulkan sistem IoT yang mampu memantau kualitas udara dan keberadaan gas VOC di dalam ruangan dan jika kadar VOC di dalam ruangan meningkat sampai ke tingkat bahaya maka sistem akan memberikan notifikasi dengan mengaktifkan sistem mitigasi di dalam ruangan, dengan demikian, dapat mencegah dampak buruk yang diakibatkan dari VOC.
Beberapa penelitian mengenai gas Volatile Organic Compound telah dilakukan, antara lain (Pallavi Asthana, 2018) dalam penelitian ini, mereka membuat sistem menggunakan Bolt berbasis IoT untuk memantau secara langsung polusi udara seperti Karbon dioksida, Karbon monoksida, debu dan VOC di dalam ruangan pada universitas. Sistem ini memberikan informasi kadar polusi udara secara langsung ke smartphone. Peneliti menggunakan sensor MQ-135 untuk memonitor kadar gas, sensor ini memiliki keterbatasan yang mengharuskan sensor dipanaskan terlebih dahulu selama 24-48 jam untuk mendapatkan data yang akurat. (Vandana Kalra, 2018), selain itu notifikasi yang digunakan dengan cara mengirimkan buzzer pada aplikasi di smartphone user yang terdaftar, hal ini menyebabkan hanya user yang terdaftar pada contact list saja yang akan mendapatkan notifikasi tentang keadaan polusi udara.
Penelitian serupa juga dilakukan oleh (Benammar, Abdaoui, Ahmad, Touati, & Kadri, 2018), yang juga mempergunakan Raspberry Pi. Peneliti menggunakan arsitektur modular untuk Indoor Air Quality Monitoring yang menghasilkan aplikasi berbasis web yang memungkinkan skalabilitas penyesuaian kemampuan dan sumber daya sistemnya secara instant sehingga berbagai teknologi sensor, wireless sensor networks (WSNs) dan standar-standar smart mobile dapat terinteregasi pada cloud server. Penelitian ini memungkinkan pemantauan 6 jenis gas dan juga temperature dan kelembaban pada berbagai lokasi secara bersamaan. Dalam penelitian hanya berfokus pada CO2, CO, SO2, NO2, O3, Cl2, suhu udara dan kelembaban udara. Namun tidak melakukan pendeteksian atas gas VOC juga tidak adanya notifikasi / peringatan kepada user jika kondisi udara memburuk.
Salah satu metode terbaik yang dapat dilakukan untuk mengurangi kadar VOC di dalam ruangan adalah dengan membersihkan udara di dalam ruangan. Hal ini bisa dicapai dengan semudah membuka jendela atau menyalakan beberapa kipas sehingga udara bersirkulasi dan membawa udara bersih segar. Namun, untuk hunian yang setiap saat menggunakan AC (air conditioner) seperti apartment di kota – kota besar, yang tidak memungkinkan untuk selalu membuka jendela, air purifier dapat digunakan untuk menurunkan kadar VOC.
Air purifier atau alat perjernih udara menggunakan sistem kipas internal, yang berfungsi untuk menarik udara di rumah anda melalui serangkaian filter yang menghilangkan partikel berbahaya di udara seperti debu, serbuk sari, dan bakteri. Pembersih udara kemudian mengedarkan kembali udara bersih ke dalam ruangan. Proses ini berulang beberapa kali dalam tiap jam, sehingga menjaga lingkungan tetap sehat.
Mahasiswa yang melakukan penelitian mengenai gas ini, melakukan penyempurnaan dari penelitian yang telah dilakukan sebelumnya. Penyempurnan yang dilakukan dalam penelitian ini adalah dengan mengembangkan sistem IoT yang mampu memantau kualitas udara dan keberadaan gas VOC di dalam ruangan, memberikan notifikasi kepada pengguna dan mengaktifkan alat mitigasi yang terhubung dengan IoT device, dengan demikian, dapat mencegah dampak buruk yang ditimbulkan VOC. Penelitian ini juga menambahkan fungsi untuk melakukan pengecekan kondisi udara di luar, yang berguna untuk menentukan alat mitigasi yang akan diaktifkan. Adapun rancangan desainnya adalah seperti gambar 1 dibawah ini.
Perancangan sistem ini dibuat untuk memberikan gambaran umum mengenai system IoT (internet of things) yang akan dikembangkan, guna menunjukkan kebutuhan sistem secara menyeluruh serta teknologi yang akan digunakan. Sistem akan memberikan notifikasi jika kualitas udara menurun atau kadar gas VOC meningkat diatas kadar normal. Notifikasi akan dikirimkan ke smartphone.
Desain hardware dari prototype yang dibuat ditunjukan pada Gambar 2. Sistem terdiri dari 5 komponen, yaitu:
- ESP32
ESP32 adalah sebuah microcontroller yang dapat digunakan untuk membuat perangkat Internet of Things, terdapat WiFi dan Bluetooth Low Energy, dimensi ukuran yang kecil, penggunaan konsumsi daya yang rendah, dapat bekerja dengan menggunakan baterai, kecepatan processor 240Mhz dan kapasitas memori 520 KB.
- SGP30 Sensor TVOC dan eCO2
Sensor yang dibuat oleh perusahaan Sensirion ini memiliki kemampuan untuk mendeteksi berbagai macam VOCs (Volatile Organic Compound dan H2 (Hidrogen) dan sensor diperuntukan untuk memantau kualitas udara di dalam ruangan. Pada sensor SGP30 ini terdapat komponen-komponen seperti, MOX sensor hotplate standar, microcontroller yang dapat mengatur aliran daya, mengatur voltase daya, menyimpan hasil perhitungan dari kalibrasi sensor, dan juga menghitung jumlah Total Volatile Organic Compounds dan eCO2 (Karbondioksida). Komunikasi data antara ESP32 dan SGP30 menggunakan protokol I2C.
- BME 280
Sensor udara yang diproduksi oleh Bosch ini berfungsi untuk mengukur suhu udara dengan tingkat keakuratan ±1.0°C, kadar kelembapan udara dengan tingkat keakuratan ±3% dan tekanan udara dengan tingkat keakuratan ±1 hPa. Komunikasi data untuk antara sensor BME280 dengan ESP32 menggunakan protocol I2C.
- IR Led
Sistem yang dibuat menggunakan infrared untuk mentransmisi signal untuk mengaktifkan actuator (alat – alat mitigasi) seperti air purifier dan AC (Air Conditioner). Infrared adalah IR LED yang dirancang khusus yang memancarkan sinar inframerah. Sinar-sinar ini tidak dapat dilihat oleh mata manusia karena tidak berada dalam jangkauan spektrum radiasi elektromagnetik yang bisa terlihat oleh mata manusia. LED IR digunakan di berbagai peralatan elektronik yang digunakan sehari-hari, seperti di remote televisi, kamera inframerah,
- Servo Motor
Pada penelitian ini diperlukan sebuah mekanisme motor sebagai alat mitigasi yang akan digunakan untuk membuka jendela dan dapat terhubung dengan ESP32, untuk itu dalam penelitian ini servo motor SG90 akan digunakan, servo motor (atau motor servo) adalah motor listrik sederhana, dikendalikan dengan bantuan servomekanisme. Untuk membuka jendela maka ESP32 akan mengirimkan PWM (Pulse Width Modulation) ke servo untuk mengerakkan motor, sehingga motor akan mendorong jendela supaya terbuka.
Gambar 2. Desain Prototype