Sistem Pemantauan dan Kontrol Energi Listrik dengan Node-RED, InfluxDB, Grafana, WiFi, dan LoRa

Di kebanyakan gedung, listrik hanya diukur oleh satu meter di titik masuk instalasi. Angkanya memang menunjukkan total pemakaian, tetapi tidak memberi tahu mesin atau peralatan mana yang paling boros, kapan puncak pemakaiannya, atau apakah ada alat yang mulai menarik arus tidak wajar. Penelitian ini mencoba menjawab celah itu: mengukur energi pada setiap peralatan, mengirim datanya lewat jaringan nirkabel, lalu menampilkannya secara real-time di dasbor web, lengkap dengan kontrol on-off.

Tulisan ini meringkas paper berikut. Detail lengkap, gambar, dan daftar acuan ada di sana.

Arifianto, M. J. & Prasetyani, L. (2022). Sistem Pemantauan dan Kontrol Energi Listrik Menggunakan Platform Node-RED, Influxdb dan Grafana melalui Jaringan WiFi dan Lora. Jurnal Fokus Elektroda, 7(1), 61–67. DOI: 10.33772/jfe.v7i1.23440. Akses terbuka di ojs.uho.ac.id.

Mengapa perlu memantau energi per peralatan?

Informasi pemakaian energi yang cepat dan akurat adalah langkah awal penghematan listrik. Paper ini menyebut beberapa manfaat konkretnya:

• Efisiensi energi. Pengelola bisa melihat kapan puncak pemakaian terjadi dan menyesuaikan jadwal sistem produksi.
• Pemeliharaan preventif. Jam pemakaian dan arus yang mengalir secara abnormal dapat dipakai untuk menentukan kapan sebuah motor listrik perlu diganti.
• Biaya produksi. Data energi per mesin membantu perusahaan menghitung biaya produk dengan lebih tepat.

Sebagian mesin modern sudah punya fitur pemantauan energi sendiri. Namun populasi mesin lama tanpa fitur itu masih sangat banyak, sehingga dibutuhkan alat ukur yang bisa dipasang pada peralatan apa pun.

Tiga rumusan masalah yang dikerjakan:

1. Bagaimana membuat peralatan yang mengukur energi listrik pada setiap beban dan dapat mengendalikannya secara on-off.
2. Bagaimana mengirim dan menerima data ke atau dari server lewat jaringan nirkabel.
3. Bagaimana membuat sistem pemantauan dan kontrol beban dengan aplikasi berbasis web.

Mengapa WiFi dan LoRa digabung?

Kami membandingkan beberapa teknologi nirkabel secara kualitatif (Tabel 1 pada paper):

Teknologi	Frekuensi	Jangkauan	Biaya operasional	Daya	Latensi
Bluetooth/BLE	2,4 GHz	10 m	rendah	rendah	rendah
ZigBee	2,4 GHz	10–100 m	rendah	rendah	rendah
WiFi	2,4 GHz	200–300 m	rendah	tinggi	sangat rendah
LoRa	433/915 MHz	3 km, 10 km	rendah	sangat rendah	tinggi
NB-IoT	berdasarkan operator	15 km	tinggi	tinggi	rendah

Kombinasi WiFi dan LoRa dipilih karena:

• biaya operasi rendah, tanpa langganan;
• modulnya murah dan mudah dihubungkan ke mikrokontroler;
• WiFi sudah tersedia luas untuk jaringan lokal dan internet;
• LoRa berjangkauan jauh dan hemat daya, cocok untuk data berukuran kecil yang tidak butuh bandwidth besar;
• protokol LoRa bisa dikembangkan sesuai topologi dan tingkat keamanan yang dibutuhkan.

Konsep sistem

Sistem terdiri dari empat bagian: pengukur energi, gateway, server, dan perangkat lunak pendukung.

• Pengukur energi dipasang pada outlet listrik, sebelum masing-masing peralatan yang diukur.
• Arus, tegangan, dan besaran lain dikirim ke gateway yang terhubung ke jaringan lokal atau internet.
• Server menyimpan dan mengelola data, lalu menampilkannya di dasbor yang dapat diakses dari komputer klien di jaringan yang sama.
• Setiap pengukur punya relay untuk mengendalikan on-off peralatan. Relay dapat dioperasikan secara manual dari dasbor, berdasarkan jadwal, atau berdasarkan kondisi tertentu sesuai logika yang dibuat.

Kebutuhan perangkat keras

• Mengukur arus, tegangan, energi, daya, faktor daya, dan frekuensi listrik AC.
• Mikrokontroler dengan WiFi, ditambah modul LoRa.
• Data dapat dikirim ke gateway lewat LoRa atau WiFi.
• Setiap alat punya nomor identitas unik.
• Kendali on-off, dengan asumsi kondisi normal peralatan menyala (memakai kontak NC relay).

Kebutuhan perangkat lunak

• Aplikasi web yang bisa dibuka dari komputer, laptop, atau perangkat bergerak.
• Pemrograman lewat halaman administrator di browser agar fleksibel.
• Autentikasi berlevel pengguna pada dasbor dan halaman administrator.
• Visualisasi berupa grafik, indikator, dan teks per nomor identitas alat.
• Pesan dari dan ke alat ukur memakai protokol MQTT.

Perangkat keras alat pengukur

Rangkaian digambar dengan KiCad, lalu PCB dipesan secara daring. KiCad dipilih karena gratis, punya banyak pustaka komponen dan komunitas, serta dapat memodelkan tampilan 3D untuk merancang kemasan. Komponen utamanya:

• PZEM-004T dengan trafo arus (CT) sebagai sensor. Sensor ini membaca arus, tegangan, daya, faktor daya, frekuensi, dan energi, dan menyediakan komunikasi serial untuk dibaca mikrokontroler.
• ESP32 sebagai mikrokontroler, meneruskan data sensor lewat WiFi.
• Modul LoRa SX1276 yang terhubung ke ESP32 lewat SPI, sebagai jalur komunikasi jarak jauh tanpa WiFi.
• Driver ULN2003 sebagai penguat arus untuk koil relay. Prototipe memakai dua relay, masing-masing terhubung ke stop kontak 220 V sehingga cocok untuk kebanyakan peralatan listrik.
• Catu daya lewat adaptor HLK-PM01 (220 VAC ke 5 VDC dan 12 VDC) serta regulator 3,3 V.

Pemrograman mikrokontroler dan gateway

• ESP32 dikonfigurasi dengan OTA (over the air), sehingga program bisa diunggah lewat WiFi tanpa kabel.
• Komunikasi LoRa memakai pustaka RadioHead, dengan enkripsi agar data tidak bisa dibaca pihak yang masuk ke jaringan LoRa, baik sengaja maupun tidak.
• Gateway memakai papan TTGO-LoRa32 V2.1 (ESP32 + LoRa + OLED). Ia menerima data dari alat ukur lewat LoRa dalam format JSON, lalu meneruskannya ke server lewat MQTT. Contoh paket data:

{"i":"0.170","v":"233.0","p":"30","e":"45.6","pf":"0.2","f":"50","ID":"43797"}

Kunci i, v, p, e, pf, dan f berturut-turut adalah arus, tegangan, daya, energi, faktor daya, dan frekuensi, sedangkan ID adalah nomor identitas alat.

Server dan perangkat lunak

Server memakai Raspberry Pi karena spesifikasinya cukup, ukurannya kecil, dayanya rendah, dan komunitasnya luas. Perangkat lunak yang dipasang:

Perangkat lunak	Peran
Ubuntu	sistem operasi
Mosquitto	MQTT broker
Node-RED	platform pengembangan aplikasi, dasbor, dan back-end
InfluxDB	basis data untuk data historis
Grafana	visualisasi data (indikator dan grafik)

Alur yang wajar dari rancangan ini: data dari gateway masuk ke broker Mosquitto, diproses di Node-RED, disimpan di InfluxDB, lalu ditampilkan di dasbor Node-RED dan Grafana.

Pengujian

Sistem yang diuji terdiri dari dua alat pengukur energi, satu gateway, satu server, dan beberapa klien (ponsel pintar dan laptop). Pengujian dilakukan di dalam gedung kampus yang terdiri dari banyak ruangan.

• Alat pengukur: tegangan AC keluaran dan tegangan DC catu daya (12 V, 5 V, 3,3 V), unduh program dari komputer ke mikrokontroler, indikator sensor, serta kondisi dan suhu komponen.
• Komunikasi data: pengiriman dari alat ke gateway LoRa (diamati lewat komunikasi serial) dan dari alat ke server lewat WiFi. Data dikirim setiap 10 detik. Daya pancar radio LoRa adalah 1 W pada alat ukur dan 0,1 W pada gateway.

Hasil

• PCB dan perakitan komponen berfungsi baik; keluaran regulator, jalur PCB, dan pemrograman lolos pengujian.
• Pembacaan PZEM-004T berhasil menampilkan arus, tegangan, daya, energi, faktor daya, dan frekuensi. Tegangan dan arus yang terbaca sama dengan alat ukur pembanding.
• Pengiriman data lewat LoRa dari alat ke gateway berhasil pada jarak kurang lebih 300 meter (di dalam gedung).
• Gateway berhasil mengirim data ke server lewat WiFi dengan protokol MQTT.
• Dasbor Node-RED menampilkan indikator yang sesuai dengan data.
• Data historis tersimpan di InfluxDB dan tampil di Grafana dalam bentuk indikator dan grafik.
• Kendali relay lewat dasbor Node-RED berhasil.
• Autentikasi halaman web dikonfigurasi untuk satu admin dan satu klien di Node-RED.

Kesimpulan

1. Pemantauan energi dan kendali alat listrik dapat dilakukan dengan perangkat berbasis mikrokontroler yang terhubung ke gateway dan server. Komputer klien di jaringan yang sama dapat memantau energi sekaligus mengendalikan perangkat.
2. LoRa dengan enkripsi dipakai untuk mengirim data dari alat ukur ke gateway dengan jangkauan dalam gedung sekitar 300 m, sedangkan komunikasi gateway ke server memakai WiFi.
3. Server berupa Raspberry Pi dengan Ubuntu, Node-RED (dasbor dan komunikasi MQTT), InfluxDB, dan Grafana.

Keterbatasan dan arah lanjutan

Paper ini melaporkan hasil pengujian fungsional pada prototipe dengan dua perangkat ukur. Sistem diakses dari jaringan yang sama, dan autentikasi baru dikonfigurasi untuk satu admin dan satu klien. Saran pengembangan dari paper:

1. Meningkatkan daya pancar modul LoRa pada gateway menjadi 1 W agar jangkauannya lebih luas.
2. Memanfaatkan LoRaWAN supaya sistem dapat diterapkan lebih luas.
3. Menerapkan kecerdasan buatan untuk menganalisis hasil pemantauan agar lebih informatif.

Ucapan terima kasih

Penelitian ini didukung hibah penelitian dari LPPM dan LP3T Politeknik Astra.

Rujukan

• Arifianto, M. J. & Prasetyani, L. (2022). Sistem Pemantauan dan Kontrol Energi Listrik Menggunakan Platform Node-RED, Influxdb dan Grafana melalui Jaringan WiFi dan Lora. Jurnal Fokus Elektroda, 7(1), 61–67. https://doi.org/10.33772/jfe.v7i1.23440
• Priyadharshini, S. G., Subramani, C. & Roselyn, J. P. (2019). An IoT based smart metering development for energy management system. International Journal of Electrical and Computer Engineering, 9(4), 3041–3050.
• Bouguera, T., Diouris, J.-F., Chaillout, J.-J., Jaouadi, R. & Andrieux, G. (2018). Energy consumption model for sensor nodes based on LoRa and LoRaWAN. Sensors, 18(7), 2104. https://doi.org/10.3390/s18072104
• McCauley, M. RadioHead Packet Radio library for embedded microprocessors. https://www.airspayce.com/mikem/arduino/RadioHead/