UTM Prosiding Komputeran Inovasi di dalam Teknologi dan Aplikasi Komputeran Jilid: 3 Year: 2018 No. ISBN: 978-967-2171-29-4 Sistem Pemantauan Tahap Pencemaran Asap dan Gas Beracun Karbon Monoksida di dalam Kenderaan Solusi Masalah Menggunakan Teknologi Internet Benda (IoT) Mohamad Fakhrulradhi Mohd Sha ri, Mohd Fo ad Rohani Jabatan Sains Komputer, Fakulti Komputeran, Universiti Teknologi Malaysia, 81310 Johor Bahru, Johor, Malaysia. radhi_shari@yahoo.com, foad@utm.my Abstrak Bilangan kenderaan di Malaysia kian meningkat. Hal ini sekaligus membawa kepada peningkatan pencemaran gas. Gas yang beracun dan tidak sihat akan dihasilkan oleh ekzos kenderaan seperti kereta dan bas. Sistem pengudaraan yang tidak baik atau berlaku masalah kebocoran pada saluran udara kereta mampu memberi jalan kepada gas bertoksik untuk memasuki ruang kenderaan secara perlahan-lahan. Situasi yang lebih bahaya boleh digambarkan ketika berpuluh buah kenderaan sedang berhenti menunggu lampu hijau di atas jalan raya. Antara gas beracun yang terhasil adalah karbon monoksida (CO). CO adalah antara salah satu gas yang sukar untuk dikesan oleh pancaindera manusia. Oleh sebab itu, Sistem Pemantauan Tahap Pencemaran Asap dan Gas Beracun Karbon Monoksida di dalam Kenderaan atau dikenali sebagai ECO telah dibangunkan bagi membantu pemilik kenderaan mengesan gas CO di dalam kenderaan. Sistem ini mengaplikasikan penggunaan perkakasan Arduino dan Raspberry Pi. Selain itu, pangkalan data cloud Firebase akan digunakan untuk mengawal data bacaan gas CO secara masa nyata. Sistem ini juga turut mempunyai integrasi dengan aplikasi telefon pintar sebagai penambah nilai berbanding alat-alat pemantauan yang sedia ada di pasaran. Bahasa pengkodan yang digunakan adalah Python, C, dan juga Java. Kata Kunci: iot; sensor gas; kenderaan; firebase; aplikasi; I. PENGENALAN Sistem Pemantauan Tahap Pencemaran Asap dan Gas Beracun Karbon Monoksida di dalam Kenderaan atau ECO merupakan sistem yang mampu menjadi solusi kepada masalah keracunan gas di dalam kenderaan. Tiada siapa yang dapat tahu dengan segera yang kenderaan sudah mula dimasuki gas CO secara perlahan-lahan tanpa bantuan sensor khas. Pemandu mungkin akan berada dalam bahaya jika kandungan kadar CO mulai tinggi di dalam ruang kenderaan. Menurut statistik purata bilangan tahunan kematian dan kadar kematian akibat keracunan CO di United States (US) pada tahun 1999 hingga 2010 di Rajah 1, ia menunjukkan kenaikkan yang agak membimbangkan setiap tahun [1]. Tambahan pula, kematian yang berlaku tersebut juga bukanlah daripada hasil kebakaran api tetapi dari sumber lain. Tujuan artikel ini adalah untuk membincangkan bagaimana ECO mampu menangani masalah kesukaran mengesan gas bertoksik CO di dalam kenderaan serta cara sistem ini diimplementasikan menggunakan alat perkakasan Arduino dan Raspberry Pi serta aplikasi telefon pintar Android. 1
Rajah 1. Purata Bilangan Tahunan Kematian dan Kadar Kematian Akibat Keracunan CO di United States (1999-2010). (Sumber: Center for Disease Control and Prevention (CDC), 2014). Metodologi yang akan digunakan untuk membangunkan sistem ini adalah metodologi Pembangunan Aplikasi Pantas (RAD). Selain itu, sensor yang akan digunakan adalah MQ-7 untuk mengesan CO dan MQ-2 untuk mengesan asap. Sensor-sensor ini akan menangkap kadar bacaan gas CO dan asap lalu diproses oleh Arduino. Lalu, bacaan tersebut akan dihantar ke Raspberry Pi untuk dihantar ke Firebase cloud. Selepas itu, data-data bacaan ini akan dugunakan oleh aplikasi telefon sebagai tatapan pengguna sistem ini, sama ada dalam bentuk nombor atau secara visual menggunakan graf. Hasilnya, pengguna dengan mudah dapat mengetahui kadar gas CO dan asap yang terdapat di ruang kenderaan melalui aplikasi di telefon pintar sahaja. Walaupun pengguna tidak sedar, aplikasi dan alat peranti ini juga mampu memberi amaran bahaya kepada sesiapa yang berdaftar di bawah alat perkakasan ECO di aplikasi yang disediakan. bacaan sensor Mempunyai paparan pada peranti Fungsi amaran dapat dipanjangkan ke pihak lain Boleh menyimpan data Mudah dibawa Penggera III. METODOLOGI DAN REKA BENTUK A. Metodologi Pembangunan Sistem Metodologi RAD telah dipilih sebagai panduan bagi pembangunan sistem ECO. Ia kerana metodologi ini mampu memberikan pembangunan projek yang pantas dan hanya memerlukan perancangan yang minimum [3]. Antara justifikasi lain memilih metodologi ini adalah ianya menjimatkan kos kerana tidak melibatkan penggunaan sumber secara intensif dan membenarkan ujian dijalankan kepada prototaip awalan sehingga tiba ke versi terakhir. Rajah 2 di bawah menunjukkan fasa-fasa yang wujud dalam RAD. II. KAJIAN LITERATUR Kajian kepada peranti-peranti yang dijual di pasaran telah dilaksanakan bagi melihat keberkesanannya dalam memberi amaran kepada penggunanya berbanding sistem ECO. Beberapa ciri peranti telah dibandingkan dengan sistem ECO di dalam Jadual 1. Peranti Ciri - Ciri Jadual 1. Sensorcon CO Inspector Jadual Perbandingan Sistem Pocket CO Detector Model 300 PYLE Meters PCMM ECO Rajah 2. Fasa-fasa yang Wujud dalam RAD Integrasi aplikasi telefon pintar Sambungan Internet Pengawalan jarak jauh menggunakan internet Penjanaan graf bagi 2
B. Modul dan Keperluan Sistem Rajah 4. Rajah Kes Guna Ahli Rajah 3. Rajah Kes Guna Pentadbir Unified Modelling Language (UML) telah digunakan bersama metodologi RAD untuk pembangunan sistem yang lebih teratur. Dengan bantuan UML, struktur fungsi dan aktor sistem dapat diwakili dengan notasi rajah. Antara rajah yang telah digunakan adalah Rajah Jujukan dan Rajah Kes Guna. Rajah 3 menunjukkan Rajah Kes Guna bagi Pentadbir. Aktor ini dapat melakukan beberapa fungsi penting seperti melihat bacaan sensor CO dan Asap, dapat bacaan dalam bentuk graf, dan mengisi maklumat perkakasan. Untuk menjadi seorang pentadbir, mereka ini perlu mengetahui hardware id bagi perkakasan ECO yang dimiliki. Apabila Pentadbir selesai mengisi maklumat perkakasan, mereka boleh mula menambah Ahli Perkaksan yang lain dengan mempelawa mereka menggunakan notifikasi. Jika pengguna asing bersetuju dengan maklumat notifikasi yang diterima, maka pengguna ini akan menjadi Ahli di bawah Pentadbir itu. Bagi Rajah 4 pula, Rajah Kes Guna ini menunjukkan fungsi yang boleh dilakukan oleh Ahli. Mereka juga boleh membaca bacaan sensor, kemaskini profail, dan juga melihat senarai Ahli yang lain. Ahli ini bermaksud pengguna yang bersama-sama Pentadbir di bawah satu hardware id yang sama. Jika mereka tidak mendapat apaapa notifikasi daripada Pentadbir, mereka tidak dapat menjadi Ahli. Bagi sistem ECO, antara keperluan bukan fungsian yang ada telah disenaraikan di bawah. Keperluan bukan fungsian adalah kualiti atau kekangan yang wujud pada fungsi-fungsi sistem bagi mencapai objektif yang telah disasarkan [2]. Kebolehgunaan: Sistem ini mampu memnunjukkan bacaan kadar gas yang dikesan dalam bentuk graf menggunakan antara muka pada aplikasi telefon pintar. Berkesan: Dapat mengesan kadar gas di udara secara masa nyata. Kebolehcapaian: Bacaan kadar udara akan sentiasa sampai ke aplikasi telefon pintar selagi ada sambungan internet pada kedua-dua alatan dengan menggunakan skrip pengkodan pada Raspberry Pi. C. Pembangunan Sistem Antara komponen paling penting bagi sistem ini adalah komponen Sensor. Sensor yang telah dipilih adalah sensor MQ-7 untuk mengesan CO dan MQ-2 pula untuk mengesan asap. Kedua-dua sensor ini dipilih adalah kerana fungsinya yang bersesuaian dengan fokus projek serta dapat diintegrasikan dan mudah dipasang pada papan litar Arduino. Untuk perkakasan, antara papan elektronik yang telah digunakan adalah Arduino Uno dan Raspberry Pi 3. Justifikasi penggunaan Arduino adalah kerana papan mikro kawalan ini sangat baik untuk digunakan bagi mendapatkan bacaan sensor secara masa nyata (realtime). Ia juga mampu meringankan beban Raspberry Pi untuk memproses data secara berkala. Arduino akan berkomunikasi dengan Raspberry Pi menggunakan protocol bersiri (serial) secara sambungan wayar Universal Serial Bus (USB). 3
Untuk pengkodan untuk mengawal Arduino pula, Bahasa C telah digunakan dalam Arduino Integrated Development Environment (IDE). IDE ini menggunakan C sebagai Bahasa pengkodan utamanya kerana pengawalan Arduino ini terus kepada alat perkakasan. Bagi Raspberry Pi pula, model yang dipilih adalah Model 3. Model ini telah dilengkapi dengan komponen Wifinya yang tersendiri untuk memudahkan penyambungan kepada internet. Jadi, Raspberry Pi akan digunakan untuk menolak data ke pangkalan data cloud Firebase. Bahasa pengkodan yang digunakan sebagai skrip adalah bahasa Python 3. Python 3 telah digunakan adalah kerana sintaksnya yang mudah difahami dan mempunyai rujukan komuniti yang luas. Google juga ada membuat library rasmi Python untuk membuat sambungan ke Firebase. Seterusnya, pangkalan data cloud Firebasemenjadi pilihan bagi sistem ECO adalah disebabkan struktur pembinaan pangkalan datanya yang sesuai untuk teknologi IoT. Firebase menggunakan konsep struktur dedahan (branching) untuk menyimpan segala data-data yang diterima daripada perkakasan IoT. Tambahan pula, Firebase tidak mempunyai penggunaan kunci primer (primary) dan kunci asing (foreign). Jadi, Firebase akan menggunakan rujukan daripada mana-mana nilai pada dedahan yang dikendaki untuk membuat pencarian ke dedahan yang lain. Rajah 5 menunjukan cara pangkalan data Firebase dijana. D. Reka Bentuk Pangkalan Data Seperti yang telah diterangkan di atas, Firebase cloud menggunakan konsep dedahan untuk menyimpan data. Akar adalah merujuk kepada titik pemulaan paling awal bagi pecahan dedahan data. Selain itu, Firebase mempunyai servisnya yang tersendiri untuk memegang data pengesahan pengguna iaitu Firebase Authentication. Jadi, tempat pangkalan data biasa tidak akan diletakkan maklumat berkenaan log masuk. Firebase telah membantu dalam mengendalikan maklumat sulit tersebut. Antara akar yang ada dalam sistem ini telah disenaraikan di bawah. hardware_members:untuk menyimpan maklumat berkenaan perkakasan yang telah diisi oleh Pentadbir. users: Untuk memegang maklumat pengguna yang telah berdaftar di dalam aplikasi ECO. email_list: Untuk memegang nilai emel yang wujud di dalam sistem ECO sebagai pengesahan emel ketika Pentadbir ingin menambah Ahli baru. hardware_list:untuk digunakan membuat senarai Ahli yang berada di bawah hardware_id yang sama. hardware_co:untuk memegang data berkenaan bacaan CO. Nilai yang diambil adalah bacaan, masa, dan tarikh. hardware_smoke:untuk memegang data berkenaan bacaan asap. Nilai yang diambil adalah bacaan, masa, dan tarikh. hardware_setting:digunkana sebagai penunjuk rujukan jika Pentadbir ingin membuat pengujian komponen. Rajah 5. Struktur Dedahan Firebase Bagi pembinaan aplikasi Android pula, Android Studio telah dipilih sebagai IDE untuk membina aplikasi. IDE ini menggunakan bahasa Java sebagai pengkodannya. Walaupun terdapat pelbagai rangka kerja (framework) di luar sana, Android Studio menjadi pilihan kerana Java merupakan bahasa asal (native) bagi pembangunan aplikasi Android. Jika menggunakan bahasa pengkodan lain, penurunan prestasi aplikasi untuk mengawal data secara masa nyata mungkin akan menurun. invitation:tempat penyimpanan maklumat perkakasan sementara apabila Pentadbir ingin menambah Ahli yang baru. removed:tempat penyimpanan maklumat sementara untuk membuang Ahli oleh Pentadbir. IV. IMPLEMENTASI DAN PENGUJIAN Langkah seterusnya adalah mengimplementasi sistem ini. Sensor MQ-7 dan MQ-2 akan dipasang kepada Arduino Uno. Lalu pengkodan yang telah dilakukan pada Arudino akan mengambil nilai mentah analog sensor tersebut dan menukarnya menjadi nilai yang berguna. Selepas itu, nilai-nilai bacaan ini akan dihantar secara bersiri ke Raspberry Pi. 4
Raspberry Pi pula akan menolak maklumat bacaan ke Firebase cloud jika sambungan internet dapat dilakukan. Seterusnya, aplikasi di telefon pintar akan mula menarik data-data dan memaparkannya secara masa nyata di skrin antara muka pengguna. Rajah 6 adalah skrin antara muka aplikasi ECO dan Rajah 7 pula menunjukkan prototaip perkakasan ECO. Hasil daripada ujian ini akan digunakan untuk membaiki sistem ini dan juga sebagai rujukan bagi pengujian kotak hitam. Rajah 8 menunjukkan borang UAT yang telah digunakan terhadap penguji sistem. Rajah 6. Antara Muka Aplikasi ECO Rajah 8. Borang UAT Bagi Pengujian Sistem Rajah 7. Prototaip ECO Pengujian yang telah dilakukan bagi sistem ini adalah pengujian penerimaan pengguna (UAT), ujian kotak hitam, dan kotak putih. Pengujian-pengujian ini dilakukan adalah untuk mengesan ralat, kekangan, atau kelemahan yang mungkin timbul ketika sistem ini diimplementasikan. A. Pengujian Penerimaan Pengguna (UAT) Beberapa pengguna telah dipilih secara sukarela untuk membuat ujian terhadap sistem ini. Mereka diberikan borang pengujian untuk diisi ketika ujian dilakukan. Di dalam borang tersebut terdapat beberapa langkah yang perlu diikuti oleh penguji apabila ujian dijalankan. Ruangan komen juga telah disediakan jika penguji mempunyai apa-apa idea atau ketidakpuasan hati terhadap sistem yang telah diuji. B. Pengujian Kotak Hitam Berdasarkan UAT yang telah dilakukan, maka pengujian kotak hitam dapat dilakukan. Pengujian kotak hitam merupakan ujian fungsi tanpa melibatkan pengkodan dan dilakukan di antara muka sistem. Input Pengguna Log Masuk Kemaskini info perkakasan Membuang Info Kemas Kini Profail Pengguna Menukar Navigasi Aplikasi Jadual 2. Jadual Pengujian Kotak Hitam Hasil Output Maklumat untuk log masuk disahkan dan dibawa ke halaman Home. Pengguna akan dipaparkan menu timbul (pop-up) untuk perkakasan. Jika dikemaskini, pengguna akan menjadi pentadbir. Menu timbul akan keluar dan info perkakasan akan dibuang jika pengguna tekan Ok. Pengguna dibawa ke menu untuk mengubah info diri yang diingini. Aplikasi akan menukar antara muka mengikut navigasi yang ditekan pengguna. Keputusan 5
Membuang Ahli Menerima Jemputan Pentadbir Menjadi Ahli Menambah Ahli Ahli di paparan Senarai Ahli akan dibuang mengikut pilihan pengguna. Memaparkan menu timbul kepada pengguna. Jika terima jemputan, pengguna akan menjadi ahli perkakasan tersebut, Memeriksa jika emel wujud dan menambah ahli perkakasan menggunakan emel tersebut C. Pengujian Kotak Putih Pengujian kotak putih pula merupakan ujian fungsi yang melibatkan pengkodan. Pengujian ini diperlukan bagi melihat keberkesana kod yang telah dibina dalam mencapai fungsi yang telah ditetapkan. Rajah 9 menunjukkan pengkodan bagi pengesahan email. Pengkodan ini berjaya untuk mengesan jika format emel yang diisi pengguna adalah betul atau salah. Rajah 11. Hasil Penjanaan Graf dari GraphView Akhir sekali, Rajah 12 pula menunjukan pengkodan untuk menambah maklumat perkakasan ke dalam Firebase. Apabila proses menambah perkakasan selesai, maklumat akan tersebut akan disimpan di dalam dedahan Firebase seperti yang ditunjukan pada Rajah 13. Rajah 9. Pengkodan Pengesahan Format Email Rajah 10 memaparkan pengkodan yang digunakan bagi menjana graf. Di dalam Android Studio, library lain berunsurkan terbuka akan diguna bernama GraphView. Hasilnya dapat dilihat pada Rajah 11. Rajah 12. Pengkodan Mengisi Rajah 13. Simpanan Maklumat di Firebase Rajah 10. Pengkodan Jana Graf V. PERBINCANGAN Walaupun sistem ini telah berjaya dibina, masih wujud juga kekangan ketika berlaku implementasi. Sistem ini masih memerlukan sambungan internet daripada telefon pintar pengguna. Jika sistem ini mampu ada sambungan internetnya sendiri yang stabil, ia mampu melonjakkan prestasi sistem ini. 6
Idea untuk menambah modul Global Positioning System (GPS) juga merupakan idea yang baik. Di samping mampu memberikan amaran, perkakasan juga boleh memberitahu di mana lokasi kereta yang mengandungi perkakasan ini pada ketika itu. Langkah keselamatan dapat dilakukan dengan lebih baik. VI. PENCAPAIAN Projek ini telah berjaya mengesan kadar gas CO dan asap di udara. Pengguna dengan mudah dapat melihat kadar gas tersebut di dalam aplikasi di telefon pintar. Penjanaan graf akan dilakukan oleh aplikasi bagi pengguna yang ingin melihat hasil bacaan dalam bentuk visual. Apabila berlaku kandungan kadar gas yang berlebihan, iaitu lebih daripada had piawaian yang selamat, maka perkakasan dan aplikasi akan mula memberikan amaran bahaya. Kelebihan notifikasi yang boleh dilakukan pada aplikasi akan dioptimumkan sebaiknya supaya amaran yang dihantar kepada Ahli dapat membantu dengan baik. KESIMPULAN Sistem ECO adalah sistem integrasi antara perkakasan dan juga aplikasi mudah alih Android. Dengan berkonsepkan masa nyata dan menggunakan teknologi IoT, sistem ini mampu menjadi solusi terbaik bagi masalah keracunan gas CO di dalam ruang dalaman kenderaan. Diharapkan sistem ini dapat mengurangkan kadar kematian disebabkan keracunan CO dan dapat memastikan kebersihan udara kenderaan terkawal. RUJUKAN [1] Center for Disease Control and Prevention (CDC) (2014). QuickStats: Average Annual Number of Deaths and Death Rates from Unintentional, Non Fire-Related Carbon Monoxide Poisoning, by Sex and Age Group United States, 1999 2010. Morbidity and Mortality Weekly Report (MMWR). 63(3), 65. [2] Naz, R. and Khan, M.N.A. (2015). Rapid Applications Development Techniques: A Critical Review. International Journal of Software Engineering and Its Applications. 9(11), 163 176. [3] I. S. Jacobs and C. P. Bean, Fine particles, thin films and exchange anisotropy, in Magnetism, vol. III, G. T. Rado and H. Suhl, Eds. New York: Academic, 1963, pp. 271 350. 7