Available at https://jtsiskom.undip.ac.id (31 January 2020)DOI:10.14710/jtsiskom.8.1.2020.69-77

Jurnal Teknologi dan Sistem Komputer, 8(1), 2020, 69-77

Model dan prototipe inkubator mobile menggunakan kontroler PIDberbasis Arduino Uno

Model and prototype of mobile incubator using PID controller based on ArduinoUno

Munadi1*), R. Andhika Pandu1), Rizky Wiradinata1), Hari Peni Julianti2), Rudy Setiawan3)

1) Departemen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas DiponegoroJln. Prof. Sudharto, SH, Tembalang, Semarang, Indonesia 50275

2) Program Studi Ilmu Kedokteran Fisik dan Rehabilitasi, Fakultas Kedokteran, Universitas DiponegoroJln. Prof. Sudharto, SH, Tembalang, Semarang, Indonesia 50275

3) Jurusan Listrik Kapal, Fakultas Kemaritiman, Universitas Ivet SemarangJl. Pawiyatan Luhur I, Bendan Duwur, Kec. Gajahmungkur, Semarang, Indonesia 50235

Cara sitasi: M. Munadi, R. A. Pandu, R. Wiradinata, H. P. Julianti, and R. Setiawan, "Model dan prototipeinkubator mobile menggunakan kontroler PID berbasis Arduino Uno," Jurnal Teknologi dan Sistem Komputer,vol. 8, no. 1, pp. 69-77, 2020. doi: 10.14710/jtsiskom.8.1.2020.69-77, [Online].

Abstract - One of the causes of the high infantmortality rate in Indonesia is the lack of healthsupport facilities in remote areas, includingincubators, to keep the baby's body warm at a specifictemperature. This research develops a model andprototype of a mobile incubator to carry and maintainthe baby's temperature during emergencies to getfurther treatment to hospitals that have better facilitiesthan incomplete health clinic facilities. The mobileincubator prototype uses a PID controller system withthe optimum gain value Kp 1.501, Ki 0.016, and Kd -1,319 from the results of modeling and tuning inMatlab. The results of the bode plot analysis show thatsystem stability was achieved with a gain margin of109 dB. The incubator's operational mobility can lastup to 59.6 minutes with two 12 V, 5 Ah batteries.

Keywords - mobile incubator; Matlab/Simulink; PIDcontroller; Arduino Uno

Abstrak - Salah satu penyebab tingginya angkakematian bayi di Indonesia adalah minimnya fasilitaspendukung kesehatan di daerah terpencil, diantaranya inkubator untuk membuat tubuh bayi tetaphangat pada temperatur tertentu. Penelitian inimengembangkan model dan prototipe inkubatormobile yang digunakan untuk membawa dan menjagatemperatur bayi saat kondisi darurat untukmendapatkan penanganan lebih lanjut ke rumah sakityang memiliki fasilitas lebih baik. Prototipe inkubatorini menggunakan sistem kontroler PID dengan gainoptimum bernilai Kp 1,501, Ki 0,016, dan Kd -1,319dari hasil pemodelan dan tuning di Matlab. Hasilanalisis kestabilan bode plot menunjukkan kestabilansistem tercapai dengan nilai margin gain 109 dB.

Mobilitas operasional inkubator dapat bertahanhingga 59,6 menit dengan 2 buah baterai 12 V, 5 Ah.

Kata kunci – inkubator mobile; Matlab/Simulink;kontroler PID; Arduino Uno

I. PENDAHULUAN

Angka kematian bayi baru lahir yang cukup tinggimerupakan salah satu masalah yang terjadi karenakurangnya fasilitas kesehatan, khususnya di daerahterpencil. Salah satu penyebabnya adalah minimnyafasilitas pendukung proses persalinan, yaitu inkubator.Inkubator adalah sebuah wadah atau tempat khususuntuk bayi premature (bayi yang lahir tidak padawaktunya atau kurang dari 9 bulan) yang dapat bekerjasecara otomatis untuk mempertahankan temperatur bayimenjadi lebih stabil dengan pengaturan temperaturruang dan kelembapan yang ada di dalam inkubator.

Pengembangan dan kajian tentang inkubator telahbanyak dilakukan. Surbakti dan Ambarita [1]mengembangkan inkubator tenaga surya untuk daerahtanpa listrik menggunakan lilin yang dijemur dalamkotak sebagai penyimpan panas. Lebih lanjut, desainmaterial inkubator yang efektif untuk menyimpan panasdikaji dalam [2]. Nurfandi [3] mengembangkaninkubator bayi dengan kontrol on-off otomatis yangekonomis untuk klinik persalinan. Soler [4]mengembangkan inkubator dengan menggunakankontrol loop tertutup untuk mengatur temperaturmenggunakan LabVIEW sesuai dengan standart IEC-60601 [5].

Beragam metode kontrol diterapkan dalampengembangan inkubator. Ele dkk. [6] mengkajiparameter pemodelan dan menggunakan sistem kontrolfuzzy untuk neonatal incubator menggunakan modelheat exchanger antara bayi dan temperatur lingkunganyang dinamis. Theopaga dkk. [7] mengembangkan

Copyright ©2020, JTSiskom, e-ISSN: 2338-0403, p-ISSN: 2620-4002 Submitted: 11 November 2019; Revised: 22 January 2020; Accepted: 24 January 2020; Published: 31 January 2020

*)Penulis korespondensi (Munadi)Email: munadi@lecturer.undip.ac.id

inkubator dengan kontrol PID untuk mengaturtemperatur dengan pemanas dan kipas. Zermani dkk. [8]mengkaji penerapan indirect adaptive generalizedpredictive control (IAGPC) pada inkubator neonatalyang lebih efektif dalam mengatur temperatur daripadamenggunakan on-off dan PID, namun detail perangkatkeras dan mekanik inkubator yang digunakan tidakdijabarkan. Eneh dkk. [9] menggunakan kontrol ANFISuntuk mengontrol temperatur dalam inkubator.

Beberapa kajian pengembangan inkubator lainnyamenambah fungsi dalam inkubator. Kapen dkk. [10]mengembangkan inkubator otomatis yang dilengkapidengan fototerapi, pembaca sidik jari biometrik,pemantauan jarak jauh, dan modul kontrol denyutjantung untuk negara-negara berkembang. Shaib dkk.[11] mengembangkan inkubator portabel dan nirkabelmenggunakan Wi-fi dan infrared untuk mengukur detakjantung, level oksigen dalam darah, dan temperatur.Sendra dkk. [12] mengembangkan inkubator cerdasyang terhubung ke server basis data medismenggunakan LoRa.

Omadi dkk. [13] menyoroti tentang pengaruh suhukamar tinggi yang diinduksi secara meteorologis padainkubator dalam iklim tropis. Sementara itu, Allen [14]membandingkan dua model inkubator, yaitu kontrolservo dan manual, untuk mengoptimalkantermoregulasi. Zacarias dkk. [15] membandingkan levelderau yang dihasilkan oleh inkubator terhadaprekomendasi IEC60601-2-19: 2009 dan menunjukkanbahwa inkubator menghasilkan tingkat kebisingansecara terus menerus sebesar 53,5-58 dB yangmendekati batas rekomendasi (60 dBA). Pengaruh emisifrekuensi radio yang dibangkitkan perangkat inkubatordan pengaruhnya bagi bayi prematur dikaji dalam [16].

Beragam model kontrol dan fungsi telahdiaplikasikan dalam inkubator dan sebagian kecil desaininkubator mengikuti standar perangkat elektrik untukmedis (IEC 60601-2-19). Secara khusus, penelitian inibertujuan untuk mengembangkan prototipe inkubatoryang dapat digunakan secara mobile berbasis kontrolerPID, seperti [7], [17], dengan menggunakan papanArduino dan desainnya mengikuti standar IEC 60601-2-19. Mobile incubator ini ditujukan untuk dapatdigunakan di Puskesmas daerah terpencil di Indonesiayang minim sarana fasilitas kesehatan. Desainmemperhatikan tingkat kebersihan inkubator yang harusdilakukan pengawasan rutin terhadap berbagai aspekproses disinfeksi [18], [19]. Dengan adanya prototipemobile incubator ini, dapat dimungkinkan membantuproses persalinan di daerah yang memiliki fasilitaskurang atau pada saat kondisi darurat.

II. METODE PENELITIAN

Tahap pengembangan mobile inkubator meliputitahap desain menggunakan software CAD SolidWorksserta desain perangkat keras mekanik dan elektronikainkubator. Desain inkubator dibuat dengan menekankanagar dapat digunakan secara mobile/transport denganfitur dan fasilitas yang cukup jika bayi dalam kondisi

darurat dan perlu penanganan lebih lanjut ke rumahsakit yang lebih lengkap fasilitasnya. Dimensi inkubatordirancang sesuai ukuran rata-rata bayi di Indonesia.Inkubator ini dilengkapi dengan sumber daya internalsehingga tetap dapat digunakan saat kondisi darurat (dimobil atau sepeda motor) atau tidak dapat menemukansumber listrik PLN.

A. Desain prototipe inkubator mobile

Desain prototipe inkubator mobile menggunakansoftware SolidWorks dengan mengikuti standard IEC60601-2-19 (medical electrical equipment) [5].Inkubator yang dirancang terdiri dari beberapa bagianutama, yaitu frame, body dan sistem ducting. Framemenjadi salah satu bagian yang terpenting padainkubator karena berfungsi sebagai struktur penahanbeban. Yadav [2] telah mengkaji material yang efektifuntuk inkubator dalam menyimpan panas.

Bahan frame pada inkubator mobile inimenggunakan material alumunium hollow yang dikenalmemiliki berat yang ringan, namun memiliki kekuatanyang cukup. Alumunium hollow yang digunakanberukuran 20 mm x 20 mm. Bagian body dibuatmenggunakan acrylic dengan tebal 5 mm yang didesainmengikuti bentuk frame inkubator. Pembuatan body-nyasendiri dilakukan tiap bagian dan dipasangkan ke framemenggunakan sistem puzzle. Proses pemotongan acrylicmenggunakan laser cutting untuk menjaga kepresisianukuran part.

Inkubator ini dilengkapi dengan sistem pemanas.Sistem pemanas ini digunakan untuk mendistribusikanpanas dalam inkubator melalui saluran udara tertutup(ducting). Material untuk ducting menggunakan acrylictebal 3 mm yang dibuat perbagian sebelum disatukanmenggunakan sistem puzzle. Pada sistem ducting initerdapat wadah air yang dapat dilepas-pasang pada salahsatu ujungnya. Gambar 1 menunjukkan desain inkubatormobile secara keseluruhan.

Desain inkubator yang sudah di-assembly dianalisissafety factor-nya menggunakan simulasi Solidworks.Nilai safety factor menggambarkan kapasitas strukturaldari suatu sistem terhadap beban aktual. Nilai safetyfactor diperoleh dari nilai yield stress ( yield) materialdibagi dengan actual stress ( actual). Hasil simulasiditunjukkan pada Gambar 2 dengan nilai safety factor

Copyright ©2020, JTSiskom, e-ISSN: 2338-0403, p-ISSN: 2620-4002 Jurnal Teknologi dan Sistem Komputer, 8(1), 2020, 70

Gambar 1. Desain prototipe inkubator mobile

sebesar 15,66 yang berarti desain inkubator aman untukdigunakan.

B. Perangkat keras elektrik inkubator mobile

Sistem elektrik inkubator terdiri atas beberapakomponen elektronika yang disusun membentuk sebuahdiagram perangkat keras mengikuti standard dari SNI16-4221-1996. Diagram perangkat keras inkubatorditunjukkan pada Gambar 3. Hasil perakitan prototipeinkubator ditunjukkan pada Gambar 4.

Komponen elektronika yang digunakan dalaminkubator terdiri dari Arduino Uno, sensor temperaturdan kelembapan DHT 11, sensor temperatur LM35,sensor jarak HC SR04, modul LCD, kipas, modul drivermotor, lampu 35 Watt, power supply 20 Ampere, danbaterai 12 Volt. Arduino Uno berfungsi sebagaimikrokontroler utama. Sensor DHT 11 digunakan untukmembaca temperatur dan kelembapan di dalaminkubator secara realtime. Sensor LM35 digunakansebagai sensor temperatur untuk mempermudah padasaat pengambilan data suhu dengan keluaran berupasinyal analog. Sensor HC SR04 digunakan untukmenghitung jarak objek menggunakan sonar ataugelombang ultrasonik. Modul sensor ini memberikanjarak akurasi yang baik, pembacaan stabil, danoperasionalnya tidak terpengaruh oleh sinar matahariatau material gelap.

Modul LCD digunakan untuk menampilkaninformasi inkubator yang diberikan oleh Arduino. Padainkubator ini, LCD LMB162A digunakan untukmenampilkan temperatur dan kelembapan dalaminkubator yang terbaca sensor. Kipas berukuran 8 mmdigunakan untuk mengalirkan udara panas dari pemanaske dalam ruang inkubator, dimana aliran udara mengalirmelalui sistem ducting yang berasal dari dua buah kipaspada inlet dan outlet sistem ducting. Kipas inimemegang peranan penting terhadap timbulnya suaraoleh inkubator. Zacarias dkk. [15] menunjukkan bahwainkubator umumnya menghasilkan tingkat kebisingansecara terus menerus sebesar 53,5-58 dB. Isolasi sumberbising utama ini perlu dilakukan agar bising tidakmelebihi 60 dB(A).

Modul driver menggunakan IRF540 yangmerupakan semikonduktor keluarga MOSFET untukaplikasi fast switching. IC LM293 digunakan sebagaidriver motor DC dan dapat dikendalikan denganmikrokontroler. Kedua driver ini, yang berfungsi untukmenyuplai daya dan juga sebagai jalur data, digunakanuntuk membagi arus dari sumber daya (power supply).

Sistem pemanas (heater) digunakan untuk menaikantemperatur di dalam ruangan inkubator. Pada inkubatormobile ini, sistem pemanasnya menggunakan panasyang dihasilkan oleh lampu sepeda motor 35 Watt, 12Vdc dengan pertimbangan kemudahan mendapatkanspare-part bila sumber panas (lampu) rusak.Temperatur keluaran dari sistem pemanas dijaga selalupada kisaran 34 ˚C dengan sistem umpan balik tertutup(close loop) dan ditampilkan pada LCD secara realtime.Sistem umpan balik tertutup sistem menggunakankontrol PID dan memanfaatkan bacaan dari sensor

DHT11 yang diatur melalui program Arduino sehinggatemperatur di dalam inkubator dapat selalu terjaga padatemperatur yang optimal.

Inkubator mobile ini menggunakan dua sumberdaya, yaitu arus AC sebagai penyuplai daya utama, danarus DC dari baterai sebagai penyuplai tegangan di saat

Copyright ©2020, JTSiskom, e-ISSN: 2338-0403, p-ISSN: 2620-4002 Jurnal Teknologi dan Sistem Komputer, 8(1), 2020, 71

Gambar 2. Hasil simulasi safety factor

Gambar 3. Diagram perangkat keras elektrik

Gambar 4. Hasil perakitan prototipe inkubator mobile(tampak depan dan tampak atas).

tidak ada sumber daya listrik AC. Inkubator inimenggunakan power supply 20 Ampere yang digunakanuntuk memberikan daya pada Arduino dan sistemelektronika lainnya. Baterai digunakan sebagai powersupply pendukung pada saat inkubator digunakan padakondisi darurat (emergency) dimana sulit menemukansumber daya listrik AC. Baterai yang digunakan adalahdua baterai kering 12 Volt yang dirangkai paralel.Kapasitas maksimum yang mampu dikeluarkan tiapbaterai sebesar 10 Ah.

III. HASIL DAN PEMBAHASAN

A. Pemodelan plant pada inkubator

Pemodelan plant pada inkubator mobile dilakukanuntuk melinierisasi sistem pemanas agar dapatdiperhitungkan dan disimulasikan menggunakanMatlab. Prosesnya dilakukan dengan cara pengukuranlangsung pada waktu tertentu untuk mendapatkan fungsialih atau respons dari plant secara realtime. Pengukurandilakukan dalam keadaan pemanas dan kipas dinyalakanmaksimal dan dibaca oleh sensor yang dihubungkan keArduino (dikomunikasikan secara serial dengan laptop).Proses pengukuran dilakukan dalam rentang waktutertentu dari temperatur ruangan hingga sistempemanasnya mencapai temperatur steady state. Datahasil pengukuran diubah menjadi persamaan matematis(fungsi alih) dan digunakan sebagai pengganti plantpada inkubator.

Blok diagram untuk pemodelan plant pada inkubatordibuat dalam software Matlab/Simulink menggunakanfitur pustaka Arduino IO sebagai penghubungkomunikasi serial antara Arduino dan laptop. Blokdiagram sistem dibagi menjadi dua rangkaian utama,yaitu untuk rangkaian sensor dan rangkaian aktuator.Data hasil pemodelan disimpan secara otomatis didalamworkspace untuk memudahkan analisis. Rangkaian blokdiagram yang dibuat di software Matlab ditunjukkanpada Gambar 5.

Pengambilan data (pengukuran) dilakukan selama1.800 detik untuk mengetahui respons sistem pemanasterhadap beban. Setelah data pengukuran selesai,diperoleh data respons temperatur terhadap waktu yangditunjukkan pada Gambar 6 (garis warna merah). Hasilpengukuran ini menunjukkan bahwa dinamika termalsistem pemanas adalah persamaan dalam orde satu.Oleh karena itu, sistem dicocokkan dengan fungsi alihpada Persamaan 1. Parameter P(s) adalah fungsi alihmodel, K adalah DC gain, dan τss adalah time constant.Hasil pembandingnya ditunjukkan oleh garis biru padaGambar 6.

P (s )=Y (s)U (s )

=K

τss+1 (1)

Berdasarkan data respons sistem pemanas,temperatur lingkungan pada saat pengujian sekitar 31,5˚C dan temperatur steady-nya 44,5 ˚C. Masukan yangdiberikan bernilai maksimal (100% duty cycle) danmenghasilkan selisih temperatur 13 ˚C. Hal ini berarti

DC gain K pada sistem adalah 13 ˚C. Waktu yangdibutuhkan sistem ini untuk mencapai 63 % dari totalperubahan (time constant) adalah 205 detik, sepertiditunjukkan pada Gambar 7. Pada detik 205 ini, nilaitemperatur adalah 39,5 ˚C atau sebesar 63 % dari totalperubahan. Karena masukan mulai dari 30 detik, makakonstanta waktunya adalah 175 detik.

Berdasarkan hasil identifikasi konstanta waktutersebut, hasil perhitungan dimasukkan lagi kePersamaan 1 sehingga diperoleh perkiraan model termaldinamik sistem pemanas seperti dinyatakan dalamPersamaan 2. Parameter ΔTT (s) adalah selisihtemperatur dan D(s) adalah duty cycle. Hasil pemodelansistem ini diubah menjadi fungsi alih yangdisimulasikan bersama kontrol PID. Hal ini berbedadengan [7] yang tidak memodelkan plant dalamperancangan PID.

P (s )=ΔTT (s)D (s)

=13

175 s+1˚C (2)

Dengan menggunakan fungsi alih dalam Persamaan2, diagram blok kontrol PID ditunjukkan seperti pada

Copyright ©2020, JTSiskom, e-ISSN: 2338-0403, p-ISSN: 2620-4002 Jurnal Teknologi dan Sistem Komputer, 8(1), 2020, 72

Gambar 5. Blok diagram untuk pemodelan plant

Tem

pera

tur

(oC

)

Waktu (detik)

Gambar 6. Kurva respons step sistem pemanas

Tem

pera

tur

(oC

)

Waktu (detik)

Gambar 7. Analisis respons step sistem pemanas

Gambar 8. Rancangan diagram tersebut digunakanuntuk mencari nilai gain terbaik pada Matlab. Hasilpaling optimal yang diperoleh adalah nilai Kp = 1,501,Ki = 0,056, dan Kd = -1,319. Nilai gain ini mungkindapat berbeda sesuai dengan karakter sistem yangdiinginkan, namun untuk inkubator mobile ini, nilaigain tersebut sudah cukup optimal.

B. Simulasi kontroler PID

Simulasi kontrol PID pada sistem inkubatordilakukan dengan menggunakan Matlab/Simulink.Simulasi ini bertujuan untuk karakteristik responskontrol PID yang diperoleh pada proses pemodelan disistem pemanas inkubator. Gambar 9 menunjukkandiagram blok sistem kontrol PID. Sistem tersusun daribeberapa blok yang mewakili set-point, kontroler PID,fungsi alih plant, sensor, dan temperatur ruangan. Set-point menggunakan masukan konstan pada 34 ˚C. Padadiagram blok ditambahkan low-pass filter sebagaifeedback bagi sistem dan untuk memperhalus hasilbacaan sensor temperatur.

Simulasi dilakukan selama beberapa waktu untukmelihat respons sistem inkubator. Data yang dibacadalam simulasi adalah data temperatur, PWM, dan nilaigalat temperatur. Semua data hasil simulasi disimpansecara otomatis dalam workspace untuk memudahkananalisis. Perubahan temperatur di dalam inkubatormobile terhadap waktu merupakan nilai yang sangatdiperhatikan pada simulasi ini.

Proses penghangatan ruang di dalam inkubatordilakukan tanpa memerlukan waktu lama, namun tetapstabil pada saat sudah mencapai temperatur targetnya(set-point). Respons temperatur berdasarkan simulasiditunjukkan pada Gambar 10. Respons temperaturperlahan naik dari temperatur lingkungan ke temperaturset-point. Sistem stabil dengan nilai steady-state errormendekati 0. Namun, responsnya menjadi lambat danterjadi overshoot sekitar 4,47 %. Untuk mencapaitemperatur targetnya, dibutuhkan waktu sekitar 200detik. Nilai parameter waktu yang diperoleh adalah risetime sebesar 12 detik, peak time pada 25 detik, dansettling time pada 85,6 detik.

Parameter lain yang diukur adalah perubahan dutycycle PWM terhadap waktu. Duty cycle yang berkerjapada aktuator ini menunjukkan persentase lamanyasinyal 1 (high) pada satu periode berdasarkan hasilperhitungan kontrol PID terhadap nilai galat. Nilai dutycycle ini berbanding lurus dengan besarnya nilai galat.Sinyal PWM dengan duty cycle tertentu digunakansebagai nilai masukan pada sistem pemanas. Gambar 11menunjukkan grafik perubahan duty cycle terhadapwaktu pada simulasi inkubator. Nilai duty cyclemencapai titik tertingginya di 9,9 sebelum menurunsecara gradual ke sekitar 0,5 seiring dengan kenaikantemperatur dari temperatur lingkungan ke temperaturtarget. Pada kondisi riilnya, nilai PWM selalu naik turununtuk menjaga temperatur dalam inkubator danmenyesuaikan dengan kondisi lingkungan.

Nilai galat menunjukkan nilai selisih temperaturantara target (set-point) dengan temperatur sistem

pemanas. Besaran nilai ini menentukan besar nilaikeluaran kontroler PID pada aktuator untuk mendapatnilai sesuai set-point. Besaran nilai galat pada simulasisistem ditunjukkan pada Gambar 12. Nilai galat padasistem naik hingga 7 ˚C pada awal simulasi sebelumsecara perlahan menurun hingga nilai galat mendekati 0˚C. Pada awal simulasi, nilai galat sangat besar karenasistem baru dihidupkan dan sensor baru mulai membacatemperatur dari kondisi 27 ˚C (temperatur ruangan).Sistem kontrol PID terbukti dapat menekan nilai galatpada saat simulasi hingga mendekati 0, dimana nilaigalat tersebut baru tercapai pada kisaran 330 detik.

C. Implementasi kontroler PID

Setelah melakukan simulasi kontrol PID padaSimulink, dilakukan implementasi hasil simulasitersebut terhadap target perangkat keras yang dituju.Target perangkat keras yang dituju adalah Arduino

Copyright ©2020, JTSiskom, e-ISSN: 2338-0403, p-ISSN: 2620-4002 Jurnal Teknologi dan Sistem Komputer, 8(1), 2020, 73

Gambar 8. Diagram blok kontrol PID dengan fungsialih plant

Gambar 9. Diagram blok sistem kontrol PIDTe

mpe

ratu

r (o

C)

Waktu (detik)

Gambar 10. Analisis waktu: rise time, peak time, dansettling time

Waktu (detik)

Dut

y cy

cle

(%)

Gambar 11. Perubahan duty cycle PWM terhadapwaktu

sebagai mikrokontroler dan sistem heater sebagaipemanas ruangan pada inkubator. Implementasidilakukan dengan tujuan membandingkan hasil aktualdari simulasi tersebut pada keadaan nyata. Implementasidilakukan dengan menggunakan metode hardware inthe loop dimana sistem kontrol pada inkubator mobiledihubungkan secara serial dengan laptop. Hasilimplementasi direkam langsung ke dalam Matlab agarbisa dianalisis responsnya. Gambar 13 menunjukkandiagram desain implementasi inkubator pada Simulink.

Respons temperatur berdasarkan pengujian langsungdi dalam inkubator ditunjukkan dalam Gambar 14.Temperatur inkubator perlahan naik dari ± 27 ˚Chingga 34 ˚C pada detik 650. Bentuk kurva responstemperatur hasil implementasi relatif sama dengandengan simulasi, namun responsnya lebih lambatdibanding hasil simulasi dan hanya mengalami sedikitovershoot. Setelah mencapai 34 ˚C, temperatur terusdijaga pada temperatur targetnya oleh kontroler.Berdasarkan hasil pengujian diperoleh nilai rise timesebesar 220 detik, nilai peak time sebesar 680 detik, dannilai settling time sebesar 710 detik.

Nilai rise time sistem lebih lambat sebesar 20,47detik daripada [7], namun dengan galat steady-statelebih rendah. Hal ini disebabkan karena perbedaanjangkauan temperatur yang dikontrol oleh PID, yaitu27-34 0C, sedangkan dalam [7] hanya pada jangkauan32-37 0C. Berdasarkan parameter ini, responstemperatur saat implementasi lebih lambat daripadarespons temperatur saat simulasi. Salah satupenyebabnya adalah dibutuhkannya waktu untukperpindahan panas dari sistem pemanas ke udara yangdialirkan melalui sistem ducting sehingga membuatrespons temperaturnya relatif lebih lambat. Desainducting mempengaruhi karakteristik sistem kontrol diperangkat nyata.

Implementasi kontroler PID pada sistem kontrolinkubator ini menghasilkan nilai duty cycle PWMtertinggi 16,5 dan nilainya cenderung stabil. Gambar 15menunjukkan grafik duty cycle terhadap waktu padainkubator. Kurva bergerak secara perlahan dari kisaranduty cycle 9 naik hingga ke kisaran 16. Pada kondisi riil-nya, nilai PWM selalu naik turun untuk menjagatemperatur di dalam inkubator mobile menyesuaikandengan kondisi lingkungan.

Gambar 16 menunjukkan nilai galat implementasikontrol pada inkubator. Pada saat awal dinyalakan, galatyang terjadi hingga 7 ˚C, kemudian perlahan menurunhingga nilai galat mendekati 0 ˚C. Pada awal pengujian,nilai galat sangat besar karena sistem baru sajadihidupkan dan sensor baru mulai membaca temperaturlingkungan (27 ˚C). Sistem kontrol PID terbukti dapatmenekan nilai galat temperatur pada saat pengujianhingga mendekati 0, dimana nilai galat tersebut barutercapai pada kisaran 710 detik. Saat sudah mencapaitemperatur targetnya (set-point), sistem kontrollerterbukti mampu menahan nilai galat seminimalmungkin. Hal ini menunjukkan sistem pemanas dariinkubator mobile dapat bekerja dengan cukup baik.

Copyright ©2020, JTSiskom, e-ISSN: 2338-0403, p-ISSN: 2620-4002 Jurnal Teknologi dan Sistem Komputer, 8(1), 2020, 74

Ga

lat t

emp

erat

ur (

o C)

Waktu (detik)

Gambar 12. Nilai galat temperatur pada simulasiinkubator di Simulink

Gambar 13. Desain implementasi kontrol PID padainkubator mobile

Tem

pera

tur

(oC

)

Waktu (detik)

Gambar 14. Analisis waktu: rise time, peak time dansettling time

Dut

y cy

cle

(%)

Waktu (detik)

Gambar 15. Respons duty cycle PWM terhadap waktu

Gal

at te

mp

era

tur

(oC

)

Waktu (detik)

Gambar 16. Nilai galat temperatur pada inkubator

D. Pengujian respons temperatur sistem terhadapgangguan panas

Pengujian impementasi kontrol PID dilakukan untukmelihat respons sistem inkubator mobile secara realtime bila diberikan gangguan seperti diindikasikandalam [13]. Proses pengujian dilakukan denganmengikuti standard dari ISO 10993-1: 1992 BiologicalEvaluation of Medical Devices. Sebagai emulasigangguan panas dari lingkungan, sistem diberigangguan berupa panas api lilin.

Gambar 17 menunjukkan hasil pengujian responstemperatur atas gangguan kondisi lingkungan yang lebihpanas. Temperatur dalam inkubator perlahan naik dari ±27 ˚C ke 34 ˚C sebelum naik hingga 37 ˚C karenasistem diberi gangguan panas dari luar. Sistem dapatmerespons gangguan panas dengan menurunkantemperatur untuk menjaga temperatur tetap pada set-point 34 ˚C. Gangguan panas pada sistem dilakukansebanyak dua kali pada detik 750 dan 1000 denganrentang waktu 50 detik pada tiap sesi gangguan.

Berdasarkan hasil pengujian respons temperaturterhadap gangguan panas, dapat disimpulkan bahwasistem kontrol PID di dalam inkubator dapat meresponsperubahan panas dengan cukup baik dan masih dalambatas aman. Hal ini menunjukkan bahwa inkubatormobile ini dapat digunakan walaupun kondisi di luarruang yang panas, terutama jika digunakan di daerahtropis agar sesuai [13].

E. Pengujian respons temperatur sistem terhadapgangguan dingin

Pada pengujian ini, inkubator mobile dioperasikandengan mendapat gangguan dingin denganmenggunakan air es. Respons sistem pemanas secarasimultan direkam dalam Matlab. Gambar 18menunjukkan respons temperatur dalam inkubatorperlahan naik dari temperatur lingkungan sebesar ± 27˚C hingga 33,7 ˚C. Temperatur bertahan beberapa saatsebelum turun ke 33,2 ˚C saat sistem merespons karenaadanya gangguan dingin pada inkubator.

Gangguan dingin pada sistem dilakukan sebanyakdua kali pada detik 750 dan 1000 dengan rentang waktu50 detik pada tiap sesi gangguan. Pada saat diberigangguan dingin, terlihat sistem dapat kembali ketemperatur targetnya pada 34 ˚C. Hasil ini menunjukkanbahwa sistem kontrol PID juga dapat bekerja denganbaik pada kondisi menurunkan tempertaur, misalnyapada kondisi lingkungan sekitar inkubator sedang hujan.

F. Analisis kestabilan bode plot

Analisis kestabilan kontrol PID pada inkubator inimenggunakan bode plot dalam toolbox Sisotool padasoftware Matlab. Nilai gain terbaik yang diperolehdalam simulasi diuji kestabilannya. Gambar 19menunjukkan hasil plot analisis kestabilan dimanasistem memperoleh nilai gain margin sebesar 109 dBdan nilai phase margin sebesar inf derajat. Hal inimenunjukkan bahwa sistem mencapai stabil karena

kedua margin bernilai positif atau lebih besar dari 0.Kontrol PID pada sistem ini stabil dilihat dari analisisbode plot-nya. Analisis kestabilan ini tidak dilakukandalam [7] sehingga perbandingannya tidak bisadilakukan.

G. Estimasi daya tahan baterai

Berdasarkan pengujian, arus maksimal yangdibutuhkan sistem yang berjalan normal tanpa gangguandari luar adalah sebesar 10,061 A. Baterai yangdigunakan adalah baterai basah dengan spesifikasi 12Volt, 5 Ah sebanyak dua buah dengan kapasitas total 10Ah. Dengan asumsi sistem berjalan stabil dan bateraidalam kondisi baik, maka estimasi lama baterai dapatmenahan inkubator agar tetap berjalan normal tanpalistrik adalah selama 0,99 jam atau 59,6 menit.

Hasil pada lapangan mungkin bisa berbeda,tergantung dari kondisi baterai, kondisi lingkungan, dan

Copyright ©2020, JTSiskom, e-ISSN: 2338-0403, p-ISSN: 2620-4002 Jurnal Teknologi dan Sistem Komputer, 8(1), 2020, 75

Tem

per

atu

r (o

C)

Waktu (detik)

Gambar 17. Respons temperatur terhadap gangguanpanas

Tem

pera

tur

(oC

)

Waktu (detik)

Gambar 18. Respons temperatur terhadap gangguandingin

Mag

nitu

do (

dB)

Frekuensi (rad/detik)

Pha

se (

o )

Gambar 19. Hasil plot analisis kestabilan bode plot

beban kerja. Penggantian baterai menggunakan bateraiberkapasitas lebih besar bisa membuat waktu backupbaterai menjadi lebih lama, namun menyebabkaninkubator menjadi semakin berat.

Kajian lanjut desain dan material inkubator yangefektif dalam menyimpan panas seperti [1], [2] dapatdilakukan untuk mengurangi kerja pemanas dan kipassehingga arus yang dipakai oleh inkubator bisa lebihefisien. Di sisi lain, penggunaan kontrol PID untukmenjaga temperatur dalam inkubator dalam kajian inidapat menghemat daya baterei dibandingkan kontrolon-off dalam [3].

Fungsi lain dalam inkubator, selain kontroltemperatur, dapat diterapkan lebih lanjut, misalnyapenambahan modul fototerapi untuk bayi dengankekurangan bilirubin dan pemantauan denyut jantungseperti dalam [10], [11]. Penambahan modul nirkabeldapat juga dilakukan agar akses pemantauan data dariinkubator ke pengguna dan sistem kontrol dapatdilakukan secara nirkabel menggunakan Wi-fi atauinfrared, seperti dalam [11], [12]. Selain itu, penerapanLoRa dapat dilakukan untuk menghimpun data daribanyak inkubator ke server basis data medis sehinggadata dapat diolah dan digunakan oleh yangberkepentingan seperti [12]. Namun, pengaruh emisiradio dari modul nirkabel ini perlu diperhatikan sepertidinyatakan dalam [16].

IV. KESIMPULAN

Fungsi kontrol pada inkubator mobile dapat bekerjasesuai spesifikasi yang dikehendaki berdasarkanprogram dengan mikrokontroler Arduino menggunakanPID. Gain kontrol PID paling optimum pada pemanasdan kipas pada inkubator ini adalah Kp 1,501, Ki 0,015,dan Kd -1,319. Sistem ini bersifat stabil dengan nilaigain margin sebesar 109 dB dan phase margin sebesarinf derajat.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Y. M. K. Surbakti and H. Ambarita, “Rancangbangun inkubator bayi dengan menggunakan phasechange material sebagai pemanas ruang inkubatorbayi,” e-Dinamis, vol. 3, no. 3, pp. 196-202, 2012.

[2] S. Yadav, “Application of combined materials forbaby incubator,” Procedia Manufacturing, vol. 20,pp. 24-34, 2018. doi: 10.1016/j.promfg.2018.02.004

[3] F. Nurlandi, “Desain inkubator bayi dengan kontrolotomatis yang ekonomis untuk klinik persalinan(ecobator),” Skripsi, Institut Teknologi SepuluhNovember, Indonesia, 2010.

[4] C. P. Soler, “Prototyping a closed loop controlsystem for neonatal incubator,” Master thesis,RWTH Aachen University, Germany, 2009.

[5] Medical electrical equipment, part 2-19: particularrequirements for the basic safety and essentialperformance of infant incubator, IEC 60601-2-19:2009, 2009.

[6] P. Ele, J. B. Mbede, and E. Ondoua, “Parametermodelling and fuzzy control system of neonatalincubator,” in 5th International Conference onScience of Electronic, Technologies of Informationand Telecommunications, Tunisia, Mar. 2009, pp.1-6.

[7] A.K. Theopaga, A. Rizal, and E. Susanto, “Designand implementation of PID contol based babyincubator,” Journal of Theoretical and AppliedInformation Technology, vol. 70, no. 1, pp. 19-24,2014.

[8] M. A. Zermani, E. Feki, and A. Mami,“Application of adaptive predictive control to anewborn incubator,” American Journal ofEngineering and Applied Scieces, vol. 4, no. 2, pp.235-243, 2011. doi: 10.3844/ajeassp.2011.235.243

[9] I. I. Eneh, E. O. Onugwu, P. C. Eneh, and P. U.Okafor, “Improving the control of preterm infantmass skin temperature using adaptive neuro fuzzyinference system,” International Journal ofResearch in Engineering & Science, vol. 3, no. 3,pp. 1-10, 2019. doi: 10.26808/rs.re.v3i3.01

[10] P. T. Kapen, Y. Mohamadou, F. Momo, D. K.Jauspin, N. Kanmagne, and D. D. Jordan,“Development of a neonatal incubator withphototherapty, biometric fingerprint reader, remotemonitoring, and heart rate control adapted fordevelopping countries hospitals,” Journal ofNeonatal Nursing, vol. 25, no. 6, pp. 298-303,2019. doi: 10.1016/j.jnn.2019.07.011

[11] M. Shaib, M A. Rashid, L. Hamawy, M. Arnout, I.E. Majzoub, and A. J. Zaylaa, “Advanced portablepreterm baby incubator,” in Fourth InternationalConference on Advances in BiomedicalEngineering, Beirut, Lebanon, Oct. 2017, pp. 1-4.doi: 10.1109/ICABME.2017.8167522

[12] S. Sendra, P. R. Diaz, J. N. Ortiz, and J. Lloret,“Smart infant incubator based on lora networks,”in International Conference on Computer Systemsand Applications, Aqaba, Jordan, Nov. 2018, pp.1-6. doi: 10.1109/AICCSA.2018.8612863

[13] H. O. Amadi, O. A. Mokuolu, and T. Obasa,“Effect of high sun intensity on neonatal incubatorfunctionality in a tropical climate,” Journal ofNeonatal Nursing, vol. 19, no. 3, pp. 122-128,2013. doi: 10.1016/j.jnn.2012.03.011

[14] K. Allen, “Neonatal thermal care: a discussion oftwo incubator modes for optimisingthermoregulation. A care study,” Journal ofNeonatal Nursing, vol. 17, no. 2, pp. 43-48, 2011.doi: 10.1016/j.jnn.2011.01.004

[15] F. F. Zacarias, J. L. B. Jimenez, P. J. B. V. Gaztelu,R. H. Molina, and S. L. Lopez, “Noise level inneonatal incubators: a comparative study of threemodels,” International Journal of PediatricOtorhinolaryngology, vol. 107, pp. 150-154, 2018.doi: 10.1016/j.ijporl.2018.02.013

[16] I. Calvente, A. V. Perez, M. F. Fernandez, M. I.Nunez, and A. M. Hoyos, “Radiofrequencyexposure in the neonatal medium care unit,”

Copyright ©2020, JTSiskom, e-ISSN: 2338-0403, p-ISSN: 2620-4002 Jurnal Teknologi dan Sistem Komputer, 8(1), 2020, 76

Environmental Research, vol. 152, pp. 66-72,2017. doi: 10.1016/j.envres.2016.09.019

[17] M. Munadi, M. S. Nasir, M. Ariyanto, N. Iskandar,and J. D. Setiawan, “Design and simulation of PIDcontroller for lower limb exoskeleton robot,” inAIP Conference Proceeding, vol. 1983, no. 1,2018. doi: 10.1063/1.5046300

[18] T. Belton, “The use of the elbow technique toaccess neonatal incubators: can this reduce the risk

of cross infection?” Journal of Neonatal Nursing,vol. 13, no. 3, pp. 118-120, 2007. doi:10.1016/j.jnn.2007.03.001

[19] M. Fattorini et al., “Public health since thebeginning: neonatal incubators safety in a clinicalsetting,” Journal of Infection and Public Health,vol. 11, no. 6, pp. 788-792, 2018. doi:10.1016/j.jiph.2018.03.001

Copyright ©2020, JTSiskom, e-ISSN: 2338-0403, p-ISSN: 2620-4002 Jurnal Teknologi dan Sistem Komputer, 8(1), 2020, 77