PERANCANGAN DAN REALISASI SISTEM PEMANTAUAN
DENYUT NADI NIRKABEL DENGAN TRANSMISI ZIGBEE
(DESIGN AND REALIZATION PULSE BEAT MONITORING SYSTEM WIRELESS WITH ZIGBEE TRANSMISSION)
PROYEK AKHIR
Laporan ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat menyelesaikan pendidikan Diploma III Program Studi Teknik Elektronika
Jurusan Teknik Elektro
Oleh NAMA : Firgha Ali Pritantyo NIM
: 091311043
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2012
ABSTRACT
Pulse beat is one of biosignal that important for people’s health indicator. This is because the velocity of pulse beat is similar to heart beat rate. For patient that have critical illness such as heart congestive disorder, it should be needed pulse beat monitoring, however it’s not able to monitor pulse beat continously. For solving this problem, that was already designed and realized a final project that named monitoring pulse beat of patient wireless system. This system divided into two parts. First part include of finger probe and signal conditioner. Finger probe has a function for detect pulse beat and signal conditioner has a function for conditional signal that received from finger probe so that can be processed by microcontroller well. Finger probe was constructed by photodiode and red LED that set at acrylyc in opposite side and signal conditioner divided into filter and amplifier. The second part is microcontroller ATmega16 and Xbee modul. Microcontroller ATmega16 has a function as pulse beat data processor and Xbee modul as transceiver for transmit data with wireless transmission. This system also compacted with HMI as monitoring media that set in nurse and doctor room. This system starting for work when pulse beat detected by finger probe that clipped at finger. After pulse beat have been detected and then that signal will be conditioned by signal conditioner that include of filter and amplifier. And then data will be processed by microcontroller ATmega16 using sampling process 15 second and the result will be displayed at LCD, at the same time pulse beat data will be transmitted wireless from patient room to nurse room. And then pulse beat with that graphic can be monitored at computer that functioned as a HMI in nurse and doctor room continously and real time. From the result of system testing could be considered that the realization of this system can work well, this system can monitor pulse beat rate in a minute wireless. Maximum transmission of Xbee that used in this system is 30 m for indoor and 75 m for outdoor. Keyword: pulse beat, monitoring, finger probe, microcontroller, Zigbee, HMI.
ABSTRAK
Denyut nadi merupakan salah satu biosinyal yang dapat digunakan sebagai indikator kesehatan manusia. Hal ini karena kecepatan denyut nadi berbanding lurus dengan jumlah detak jantung manusia. Bagi pasien yang mempunyai penyakit tertentu seperti penyakit jantung kongresif diperlukan pemantauan denyut nadi, namun pemantauan denyut nadi tidak dapat dilakukan secara terus menerus. Untuk mengatasi masalah ini, maka telah dirancang dan direalisasikan sebuah proyek akhir yang berjudul sistem monitoring denyut nadi pasien secara wireless. Sistem ini terdiri dari dua bagian. Bagian pertama terdiri dari finger probe dan pengondisi sinyal. Finger probe berfungsi sebagai pendeteksi denyut nadi sedangkan pengondisi sinyal berfungsi untuk mengondisikan sinyal yang diterima dari finger probe agar dapat diolah dengan baik oleh mikrokontroler. Finger probe dibangun dari photodiode dan red LED yang dipasang saling berhadapan pada acrylyc yang dicetak sedangkan pengondisi sinyal terdiri dari filter dan amplifier Sedangkan bagian kedua terdiri dari mikrokontroler ATmega16 dan modul XBee. Mikrokontroler ATmega16 berfungsi sebagai pengolah data pengukuran denyut nadi dan modul Xbee sebagai transceiver yang berfungsi untuk mentransmisikan data dengan sistem wireless. Sistem ini juga dilengkapi dengan HMI sebagai media monitoring yang dapat dipasang di ruang perawat dan dokter. Cara kerja sistem ini adalah pertama-tama untuk mendeteksi denyut nadi, finger probe dijepitkan pada jari tangan. Setelah denyut nadi dideteksi maka sinyalnya akan dikondisikan oleh pengondisi sinyal yang terdiri dari filter dan amplifier. Setelah itu dilakukan pengolahan data oleh mikrokontroler ATmega 16 dengan menggunakan proses sampling selama 15 detik dan hasilnya ditampilkan di LCD, pada waktu yang bersamaan denyut nadi dari ruang pasien juga ditransmisikan secara wireless dengan menggunakan zigbee ke ruang perawat. Kemudian besar denyut nadi serta grafik denyut nadi dapat dipantau pada komputer yang berfungsi sebagai HMI pada ruang perawat dan dokter secara terus menerus dan real time. Dari hasil pengujian yang telah dilakukan, realisasi sistem ini dapat berfungsi dengan baik yaitu dapat memantau denyut nadi per menitnya secara wireless. Setelah dilakukan pengujian didapatkan jarak maksimal transmisi Xbee yang dipakai pada sistem ini pada kondisi indoor adalah 30 m sedangkan pada outdoor adalah 75 m. Kata Kunci: denyut nadi, monitoring, finger probe, mikrokontroler, Zigbee, HMI.
“Apabila telah datang pertolongan Allah dan kemenangan, dan engkau melihat manusia berbondong-bondong masuk agama Allah, maka bertasbihlah dengan memuji Tuhanmu dan mohonlah ampunan kepada-Nya. Sungguh, Dia Maha Penerima Tobat” (Q.S. An-Nashr)
Proyek akhir ini dipersembahkan kepada Mama, papa dan adik-adikku yang telah memberikan dukungan dan doa yang tiada henti hingga proyek akhir ini telah terselesaikan dengan baik Ami Rahayuni yang selalu ada di setiap saat untuk menemani, memberikan bantuan, semangat, dan dorongan di saat susah maupun senang Sahabat terbaikku Anisa Nur Maulani dan Maulana Reksa yang telah banyak membantu serta senantiasa memberikan saran dan mengingatkan ketika salah Andi Mulyandi dan Asep Suryana Mustopa yang telah memberikan banyak ilmu, pelajaran serta bantuannya -Firgha Ali Pritantyo-
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, atas berkah dan
rahmat-Nya lah penulis dapat menyelesaikan proyek akhir beserta laporan sebagai
salah satu syarat kelulusan Program Diploma III di Program Studi Teknik Elektronika Politeknik Negeri Bandung.
Proyek akhir yang berjudul “Perancangan dan Realisasi Sistem
Monitoring Denyut Nadi Wireless Dengan Zigbee”
telah berhasil penulis
selesaikan tepat pada waktunya. Namun penulis menyadari terdapat banyak
kekurangan dan keterbatasan dalam pengerjaan proyek ini. Untuk itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun demi pengembangan ilmu
pengetahuan yang lebih tinggi. Pada pengerjaan alat ini penulis banyak sekali mendapatkan bantuan dari berbagai pihak. Untuk itu pada kesempatan kali ini izinkanlah penulis mengucapkan terimakasih sebanyak-banyaknya kepada : 1. Yth. Bapak Ir. Hari Purnama, M.Eng. sebagai Ketua Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Bandung. 2. Yth. Ibu Ervin Masita Dewi, ST., MT. sebagai Ketua Program Studi Teknik Elektronika Politeknik Negeri Bandung. 3. Yth. Ibu Dr. Ir. Ediana Sutjiredjeki, M.Sc. sebagai dosen pembimbing I yang telah membimbing, memberikan petunjuk dan pengarahan dengan sangat baik sehingga penulis dapat menyelesaikan Proyek Akhir ini. 4. Yth. Bapak Firman Prima Djauhari, MT. sebagai dosen pembimbing II yang telah memberikan pengarahan mengenai pemrograman, sehingga Proyek Akhir ini dapat bekerja dengan baik. 5. Yth. Bapak Tjan Swi Hong, MSc. sebagai koordinator PA yang telah memberikan kebijaksanaannya untuk proses pengerjaan Proyek Akhir ini. 6. Yth. Bapak Suyanto, ST., M.Eng. selaku ketua penguji 7. Yth. Bapak Ir. Didik Haryogi, M.Eng. sebagai penguji 1 8. Yth. Ibu Cucun Wida Nurhaeti, ST.,M.Eng sebagai penguji 2 9. Yth. Bapak dan ibu dosen untuk semua ilmu dan pengalaman berharga yang diberikan kepada penulis.
10. Yth. Bapak Ihsan Somantri, selaku administrasi jurusan yang telah
11. Ibu Iyom, Bapak Salim, Bapak Agus, ibu Imas, dan semua staf teknisi
membantu penulis dalam birokrasi.
laboratorium
teknik
Elektronika
yang
telah
membantu
penulis
memfasilitasi keperluan selama Proyek Akhir.
12. Teman-teman ECB 2009, yang selama 3 tahun ini telah berjuang bersama.
Dengan segala kerendahan hati, penulis memanjatkan doa semoga semua bimbingan, bantuan, dorongan, dan semangat yang diberikan kepada penulis akan mendapatkan balasan pahala dari Allah SWT. Semoga proyek Akhir ini
dapat bermanfaat khususnya untuk penulis dan umumnya untuk pembaca.
Bandung, Juni 2012
Penulis
DAFTAR ISI
ABSTRAK…………………………………………………………………………….. ABSTRACT…………………………………………………………………………... KATA PENGANTAR………………………………………………………………… DAFTAR ISI………………………………………………………………………….. DAFTAR GAMBAR…………………………………………………………………. DAFTAR TABEL…………………………………………………………………….. BAB I PENDAHULUAN…………………………………………………………….. 1.1 Latar Belakang………………………………………………………………... 1.2 Tujuan…………………………………………………………………………. 1.3 Batasan Masalah………………………………………………………………. 1.4 Metodologi……………………………………………………………………. 1.5 Sistematika Penulisan…………………………………………………………. BAB II LANDASAN TEORI………………………………………………………… 2.1 Pengertian Jantung……………………………………………………………. 2.2 Pengertian Denyut Nadi………………………………………………………. 7 2.2.1 Pengukuran Denyut Nadi……………………………………………… 2.3 Photodiode………………………………………………………………………. 2.4 LED ………………………………………………………………………….... 2.5 Pengondisi Sinyal………………………………………………………….….. 2.5.1 Filter Aktif……………………………………………………………... 2.5.2 Penguat Operasional…………………………………………………… 14 2.6 Mikrokontroler………………………………………………………………… 2.6.1 Jenis-Jenis Mikrokontroler……………………………………………… 17 2.6.2 ATmega16……………………………………………………………... 2.7 LCD……………………………………………………………………………. 2.7.1 Prinsip Kerja Bagian Dalam LCD……………………………………… 21 2.7.2 Pengoperasian LCD…………………………………………………….. 22 2.8 Transceiver Wireless……………………………………………………………. 2.9 IC Penyangga (Buffer) 74HC4050………………….…………………………… 2.10 USB to Serial Converter AVR309……………………………………………. 29 2.11 Delphi…………………………………………………………………………… 2.12 Pemograman Bascom AVR…………………………………………………… BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI…………………………………….. 36 3.1 Tahapan Perancangan……………………………………………………….… 3.2 Persyaratan Sistem……………………………………………………………. 3.3 Kriteria Desain………………………………………………………………… 3.4 Spesifikasi Sistem……………………………………………………………... 3.5 Diagram Blok Dan Cara Kerja Alat…………………………………………… 3.6 Perancangan Perangkat Elektronik……………………………………………. 3.6.1 Perangkat Master Station………………………………………………... 3.6.2 Perangkat Slave Station 1 dan 2………………………………………… 3.7 Perancangan Komunikasi dan Konfigurasi XBee………………………………… 3.8 Perancangan Perangkat Lunak..………………………………………………... 48
ii iii vi viii xi xiv 1 1 2 2 3 5 6 6 9 10 11 12 12 15 19 21
25 27 30 31
36 36 37 39 39 41 41 42 46
3.9 Perancangan Mekanik…………………………………………………………. 3.10 Realisasi Sistem……………………………………………………………….. 3.11 Pemilihan Komponen………………………………………………………… 3.12 Merangkai Rangkaian Di Papan Percobaan………………………………….. 3.13 Perancangan PCB…………………………………………………………… 55 3.14 Pemeriksaan Hasil Cetakan PCB dan Pemasangan Komponen……………… 3.15 Realisasi Perangkat Elektronika……………………………………………… 3.16 Realisasi Perangkat Lunak…………………………………………………… 3.17 Realisasi Mekanik……………………………………………………………. 60 BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA…………………………………………….. 63 4.1 Tujuan………………………………………………………………………… 63 4.2 Metoda Pengujian……………………………………………………………. 63 4.3 Penggunaan Alat Ukur………………………………………………………. 4.4 Pengujian Dan Analisa Perangkat Master……………………………………..63 4.5 Pengujian Dan Analisa Perangkat Slave…………………..……....................... 66 4.5.1 Pengujian Sistem Minimum Mikrokontroler ATmega16……………….. 66 4.5.2 Pengujian LCD…………………………………………………..……… 4.5.3 Pengujian Rangkaian Penguat Non-Inverting…………………………... 4.5.4 Pengujian Rangkaian Filter……………………………………………… 4.5.5 Pengujian Red LED dan Photodiode…………………………………… 4.6 Pengujian Jarak Komunikasi Modul Xbee ……………….…………..………. 72 4.7 Pengujian Dan Analisa Perangkat Lunak………………………..…………….. 4.8 Pengujian Denyut Nadi Pasien…………………………………………………. 74 BAB V PENUTUP…………………………………………………………………….. 76 5.1 Kesimpulan…………………………………………………………………… 76 5.2 Saran………………………………………………………………………….. 77 DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN A (Skematik Rangkaian, Layout PCB) LAMPIRAN B (Listing Program Mikrokontroler dan HMI) LAMPIRAN C (Datasheet)
51 54 54 55 56 56 58
63
67 67 68 71 73
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
(a) Bagan Jantung Manusia…………………………………….……
7
(b) Posisi Jantung Pada Tubuh Manusia ……………………….…...
7
Gambar 2.2
Pemasangan Finger Probe Pada Jari (transmission methode)……....
9
Gambar 2.3
Prinsip Kerja Photodiode……………………………………………10
Gambar 2.4
Kurva Arus Photodiode terhadap Intensitas Cahaya yang Diterima..
Gambar 2.5
Respon Frekuensi terhadap Panjang Gelombang………………… 11
Gambar 2.6
Rangkaian Sederhana LED…………………………………………
12
Gambar 2.7
Low-pass filter……………………………………………………..
13
Gambar 2.8
Tanggapan Frekuensi low-pass filter……………………………….
14
Gambar 2.9
Simbol op-amp………………………………………………………
14
Gambar 2.10 Pin-pin pada ATmega16…………………………………………….
19
11
Gambar 2.11 Interkoneksi Komunikasi TWI …………………………….……… 21 Gambar 2.12 Bagian dalam LCD………………………………………………….22 Gambar 2.13 Simbol Teknologi Komunikasi Zigbee ……………………………..
26
Gambar 2.14 Konfigurasi Peer to Peer………………………………………........
26
Gambar 2.15 Konfigurasi Jaringan Nonbeacon …………………………………..
27
Gambar 2.16 Konfigurasi pin IC 74HC4050 dan 74HC4049………………….…….28 Gambar 2.17 Rangkaian USB to Serial Converter…………………………………. 30 Gambar 2.18 Main Windows BASCOM AVR……………………………………
33
Gambar 2.19 Windows Simulator BASCOM AVR………………………………
34
Gambar 2.20 Hardware Simulation BASCOM AVR……………………..…..…..
35
Gambar 2.21 Tampilan Register I/O………………………………….…………...
35
Gambar 2.22 Memori Mikrokontroller ATmega 16…………………………….… 35
Gambar 3.1
Grafik absorbsi cahaya oleh hemoglobin …………………….…….
Gambar 3.2
Diagram Blok Sistem …………………………………………….… 40
Gambar 3.3
Rangkaian Master Station…………………………………………… 42
37
Rangkaian Mikrokontroler dan level converter….………………….
43
Gambar 3.5
Rangkaian LCD Driver…..………………………………………….
44
Gambar 3.6
Rangkaian Pengondisi Sinyal………………………………………..
45
Gambar 3.7
Skematik Sensor Photoelectric…….………...……………………...
45
Gambar 3.8
Rangkaian Regulator………………………………………………..
46
Gambar 3.9
Modul XBee 2.4 Ghz……………………………………………….
47
Gambar 3.10 Diagram Blok Modul Wireless Xbee 2.4 GHz……………………..
47
Gambar 3.4
Gambar 3.11 Konfigurasi Koneksi Modul XBee ke mikrokontroler……………… 47
Gambar 3.12 Flowchart Slave …………………………………………………….
49
Gambar 3.13 Flowchart Master ………………………..…………………..……...
50
Gambar 3.14 Perancangan bentuk Slave Station Box ……………………………..
52
Gambar 3.15 Perancangan bentuk Master Station Box …………………………...
53
Gambar 3.16 Perancangan Bentuk Finger Probe …………………………………
54
Gambar 3.17 PCB Slave Station ……………………………………………….....
57
Gambar 3.18 PCB Master Station ………………………………………………...
57
Gambar 3.19 PCB Driver LCD …………………………………………………..
58
Gambar 3.20 Form Password …………………………………………………….
59
Gambar 3.21 Form Koneksi ………………………………………………………
59
Gambar 3.22 Form Main Menu …………………………………………………..
60
Gambar 3.23 Realisasi Box………………………………………..........................
60
Gambar 3.24 Realisasi Finger Probe………...………………………….................. 61
Gambar 4.1
Rangkaian Master Station…....……………………………………… 63
Gambar 4.2
Skematik Rangkaian Penguat……………………………………….. 66
Gambar 4.3
Skematik Rangkaian Filter….……………………………………….
68
Gambar 4.4
Skematik Sensor Photoelectric………………………………………
70
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Perbandingan usia dan denyut nadinya………………………………….
8
Tabel 2.2 Konfigurasi pin LCD ………………………………………………… 24
Tabel 2.3 Perbandingan Teknologi wireless………………………………………..
Tabel 2.4 Spesifikasi Elektris IC 74HC4050…………………………………… 29 Tabel 3.1 Konfigurasi XBee master dan slave……………………………………....
48
Tabel 3.2 Bagian perancangan mekanik ……………………………………………
51
25
Tabel 3.3 Daftar pemilihan komponen ……………………………………………..
55
Tabel 4.1 Hasil pengujian komunikasi master dan slave. ………………………….
64
Tabel 4.2 Data pengukuran rangkaian penguat non-inverting ………………….….
67
Tabel 4.3 Hasil pengukuran frekuensi cut-off pada rangkaian low-pass filter …..… 69 Tabel 4.4 Data hasil pengujian red LED dan photodiode…….……………………
70
Tabel 4.4 Hasil pengujian modul Xbee di luar ruangan……………………………
71
Tabel 4.5 Hasil Pengujian Modul Xbee di dalam Ruangan………………………...
72
Tabel 4.6 Pengujian Denyut Nadi Pasien …………………………………………..
73
DAFTAR PUSTAKA
[1]
Carr, Joseph J. 1981. Introduction to Biomedical Equipment Technology. John Wiley & Sons, Inc. : Canada. [2] Austerlitz, Howard.2003. Data Acquisition Techniques Using PCs. Academic Press: San Diego [3] Ibrahim, Dogan dan Kadri Buruncuk. Heart Rate Measurement From The Finger Using A Low-Cost Microcontroller. [4] Khandpur, R S. 2005. Handbook of Biomedical Instrumentation 2nd Edition. Tata McGraw – Hill : New Delhi. [5] Lopez, Santiago. Pulse Oximeter Fundamental and DesignFundamental. RTAC Americas; Guadalaraja,Mexico. [6] http://www.atmel.com/diunduh pada tanggal 26 Februari 2012 [7] Catur. S, Ir Wahyu. 1995. Optoelektronika. Pusat Pengembangan Pendidikan Politeknik; Bandung. [8] http://www.littlebee.blogsome.com/diunduh pada tanggal 14 Mei 2012 [9] http://www.patienthealthinternational.com/diunduh pada tanggal 14 Mei 2012 [10] http://www.scribd.com/ bab5_sensor_untuk_transduser/ oleh Suhardi Rahmat/ diunduh pada tanggal 09 April 2012 [11] http://www.atmel.com/datasheet ATmega16/diunduh pada tanggal 20 Februari 2012 [12] http://www.digi.com/datasheet XBee/diunduh pada tanggal 22 Maret 2012
RIWAYAT HIDUP
Nama
: Firgha Ali Pritantyo
NIM
: 091311043
Alamat
: Bumi Panyileukan F12 no.16
Tempat, Tanggal Lahir
:
Email
:
[email protected]
Bandung, 3 Agustus 1992
PENDIDIKAN
1997 – 2003
SDN Panyileukan 03 Bandung
2002 – 2006
SMPN 2 Bandung
2006 – 2009
SMAN 5 Bandung
2009 – 2012
Politeknik Negeri Bandung (Prodi. Tek. Elektronika)
