Sensor IoT

Pengantar

Teknologi informasi terdiri dari tiga pilar teknologi: komputer, komunikasi, dan sensor. Dalam hal Internet of Things (IoT), teknologi sensor merupakan indikator penting untuk mengukur tingkat informasi suatu negara.

The sensor is a mechanical system that can respond to any environmental conditions (sound, heat, light), etc.

Teknologi sensor yang dapat merasakan lingkungan sekitar atau zat khusus. Mereka dapat menawarkan fungsi sensor untuk gas, cahaya, suhu dan kelembaban, tubuh manusia, dan banyak lagi. Sensor mengubah sinyal analog menjadi sinyal digital dan mengirimkannya ke CPU untuk diproses. Keluaran akhir dapat berupa parameter konsentrasi gas, parameter intensitas cahaya, data suhu dan kelembapan, dan sebagainya.

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.

Sensor merupakan jenis konverter yang mengubah setiap perubahan lingkungan menjadi sinyal. Orang dapat mengambil sensasi berbeda dari lingkungan melalui mata, telinga, dan hidung mereka, tetapi dalam kasus elektronik, masalahnya berbeda. Sensor dapat mengubah setiap peristiwa lingkungan menjadi sinyal listrik dan mengirimkan data ke perangkat elektronik.

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 :

1. Sensor Aktif dan Pasif
   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 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.
   
2. Sensor Analog dan Sensor Digital
   Sensor Analog adalah 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.
   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.
   

Prinsip Pembacaan Sensor

Konversi efek fisik menjadi sinyal listrik didasarkan pada berbagai prinsip dasar Fisika, yaitu kapasitansi, magnet, efek piezoelektrik, cahaya, dll. Pada sub-bagian berikut, prinsip-prinsip ini akan dijelaskan dari sudut pandang cara sensor

1. Kapasitansi
2. Magnetisme dan Induksi
3. Resistansi
4. Efek Piezoelektrik

1. Pembacaan Berbasis Kapasitansi

Sensor ini bekerja berdasarkan perubahan muatan energi listrik yang dapat disimpan oleh sensor akibat perubahan jarak lempeng, perubhan luas penampang dan perubahan volume dielektrikum sensor kapasitif tersebut. Konsep kapasitor yang digunakan dalam sensor kapasitif adalah proses menyimpan dan melepas energi listrik dalam bentuk muatan-muatan listrik pada kapasitor.
Contoh : sensor kelembaban tanah kapasitif, proximity kapasitif, touchscreen, dll

2. Pembacaaan Magnetisme dan Induksi

Penginderaan dengan prinsip magnetisme memanfaatkan medan magnet dalam mengeluarkan sinyal/tegangan pembacaan sensor. Kemudian induksi elektromagnetik digunakan untuk merasakan posisi dan perpindahan suatu benda.

3. Pembacaan Resistansi dan Resistivitas Listrik

Hambatan listrik adalah karakteristik dari semua bahan dan pada dasarnya mengacu pada gaya gesekan yang menahan aliran atau pergerakan elektron.

Contoh pada penerapan sensor LDR (Light Dependent Resistor) dimana nilai output akan naik apabila cahaya yang mengenai sensor sedikit, sebaliknya jika ada cahaya yang terang maka akan menurunkan resistansi sehingga juga menurun.

4. Pembacaan Efek Piezoelektrik

Prinsip kerja piezoelektrik adalah ketika Kristal yang berbahan dielektrik diberikan tekanan, maka akan terbentuk medan listrik. Ketika medan listrik melewati bagian material, molekul yang dipolarisasi akan segera menyesuaikan dengan medan listrik, menghasilkan dipole yang terinduksi molekul dan struktur kristal. Penyesuaian molekul akan merubah material dimensi. Bahan piezoelektrik : Barium titanate (BaTiO3), Lead zirconium titanate (PZT), Lead titanate (PbTiO3) dsb.

Elemen Unit Sensor

Secara umum, komponen dasar dari sebuah sensor meliputi unit penginderaan, unit pemrosesan, unit Analog to Digital Converter (ADC), unit daya, penyimpanan, dan transceiver

a. Sensing Unit

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. Contoh: Sensor suhu LM35 dibaca oleh IC ADC0804.

b. Processing Unit

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

c. 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.

Klasifikasi Sensor

Sensor adalah alat pendeteksi yang dapat merasakan informasi terukur dan mengubahnya menjadi sinyal listrik atau bentuk informasi lain, untuk kemudian mengeluarkannya menurut aturan tertentu, memenuhi persyaratan untuk transmisi informasi, pemrosesan, penyimpanan, tampilan, perekaman, kontrol , dan seterusnya.

Tipe Sensor

Pada dasarnya ada dua jenis sensor:

1. Sensor analog : PT – 100, Thermocouple, dll
2. Sensor digital : Photo Sensor, Proximity Sensor, dll

Kita sering membandingkan fungsi sensor dengan panca indera manusia:

1. Photoelectric Sensor – Indera penglihatan
2. Sensor akustik – Indera pendengaran
3. Sensor gas – Indera penciuman
4. Sensor kimia – Indera perasa
5. Sensor tekanan, sensitif suhu, dan cairan – Indera Peraba

Ditinjau dari fungsi dasar penginderaan, ada 10 jenis elemen penginderaan: suhu, fotosensitif, gas, gaya, magnet, kelembaban, suara, radiasi, warna, dan rasa.

• Temperature Sensor
• Distance Sensor
• Proximity Sensor
• Touch Sensor
• Photo Transistors
• Photo Diode
• Pressure Sensor
• Magnet Sensor
• Humidity Sensor
• Motion or Movement Sensor

Photoelectric Sensor

Sensor fotolistrik mengubah sinyal optik menjadi sinyal listrik dengan menggunakan elemen fotosensitif. Ini sensitif terhadap panjang gelombang di dekat spektrum cahaya tampak, termasuk panjang gelombang inframerah dan ultraviolet. Selain mendeteksi cahaya, juga dapat digunakan sebagai elemen deteksi untuk membentuk sensor lain.

Temperature Sensor

Sensor suhu mengubah informasi suhu menjadi sinyal keluaran yang tersedia. Ada dua jenis sensor suhu, diklasifikasikan berdasarkan karakteristik bahan penginderaan dan komponen elektronik: detektor suhu resistansi/resistance temperature detector (RTD) dan sensor thermocouple. RTD adalah termistor yang menggunakan variabilitas resistansi logam untuk mengukur suhu. Sensor thermocouple menghubungkan dua kabel logam yang berbeda di salah satu ujungnya. Ketika salah satu ujung termokopel dipanaskan, ada perbedaan potensial listrik di sirkuit thermocouple, yang dapat digunakan untuk menghitung suhu.

Acceleration Sensor

Sebuah sensor percepatan mengukur percepatan, dan biasanya terdiri dari blok massa, peredam, elemen elastis, elemen sensitif, sirkuit adaptif, dan sebagainya.

Kebanyakan sensor akselerasi bekerja sesuai dengan prinsip efek piezoelektrik. Biasanya, sensor ini menggunakan deformasi kristal internal yang disebabkan oleh percepatan. Deformasi menghasilkan tegangan, sehingga percepatan dapat diubah menjadi tegangan keluaran selama hubungan antara tegangan yang dihasilkan dan percepatan yang diberikan dihitung.

Sensor akselerasi banyak digunakan dalam pemantauan seismik, keamanan mobil, kontrol permainan, pedometer, anti-guncangan, dan membalik gambar otomatis.

Efek piezoelektrik: Untuk kristal heteropolar yang tidak memiliki pusat simetris, gaya eksternal yang diterapkan pada kristal tidak hanya mengubah bentuk kristal, tetapi juga mengubah keadaan polarisasinya dan membentuk medan listrik di dalamnya. Fenomena polarisasi dielektrik karena gaya mekanik ini disebut efek piezoelektrik positif.

Heart Rate Sensor

Sensor detak jantung mendeteksi sinyal terkait denyut nadi.
Ada tiga jenis sensor detak jantung yang mengumpulkan sinyal dengan cara berbeda: piezoelektrik, piezoresistif, dan fotolistrik. Sensor piezoelektrik dan piezoresistif menggunakan bahan tekanan mikro untuk mengubah proses tekanan pulsa menjadi keluaran sinyal. Sensor fotolistrik mengubah perubahan transmisi cahaya dari pembuluh darah dalam proses pulsa menjadi sinyal untuk output melalui refleksi atau transceiver.

Distance Sensor or Sonar Sensor

Untuk mengukur jarak, apakah ada hambatan di jalur sensor yang digunakan untuk komunikasi.

Temperature sensor (LM 35)

Sensor tersebut memberikan tegangan tinggi saat suhu naik dan tegangan rendah dengan suhu rendah. Dengan sensor seperti itu, berbagai proyek terkait suhu dapat dibuat dan digunakan di pengontrol suhu ruangan, robot, dll.

Photo Transistors

Ini adalah sejenis transistor, bekerja selama cahaya jatuh di atasnya. Cahaya bertindak sebagai pin dasar transistor. Ini bertindak seperti switch ketika arus mengalir saat lampu menyala, tetapi tidak dalam gelap.

Touch Sensor

Ini adalah sejenis sensor di mana sinyal keluar hanya ketika disentuh. Hal ini berguna untuk membuat sesuatu dari sentuhan.

Pressure Sensor

Ini adalah jenis sensor yang menghasilkan sinyal berbeda tergantung pada tekanan yang diterapkan. Hal ini sangat berguna untuk mengukur tekanan udara.

Magnetic Sensor

Dengan adanya magnet, nilai sinyalnya berubah. Sensor magnetik digunakan dalam sistem penguncian pintu otomatis.

Humidity Sensor

Saat kelembaban udara berubah, sinyalnya juga berubah. Jenis sensor ini dapat mengukur kelembaban.

Motion or Movement Sensor

Sensor ini menjadi aktif karena mengirimkan tegangan melintasi sinyal. Jenis sensor ini digunakan untuk kontrol keamanan dan kontrol lalu lintas.

Baca lebih lanjut tentang : NodeMCU

Baca lebih lanjut tentang : Microcontroller

Ref : HCIA Internet of Things , iceet , indobot