Desain Kendali Suhu Ruangan Berbasis Logika Fuzzy [Room Temperature Control Based on Fuzzy]

Kali ini mau berbagi lagi nih tentang proyek elektronika.. artikel yang akan dibagikan kali ini mengenai kendali fuzzy yang merupakan bagian dari sebuah kecerdasan buatan atau Artificial Intelligence, proyek ini merupakan proyek akhir semester mata kuliah kecerdasan buatan saya, adapun penerapan kendali fuzzy kali ini pada proyek sistem kendali suhu ruangan dengan inputan suhu dan banyaknya orang dimana outputnya adalah kecepatan kipas, proyek ini di implementasikan dalam bentuk prototype.

Apa itu Logika Fuzzy?

Akan dijelaskan sedikit pengertian mengenai logika fuzzy yang merupakan suatu cabang ilmu Artificial Intellegence atau kecerdasan buatan, yaitu suatu pengetahuan yang membuat komputer dapat meniru kecerdasan manusia sehingga diharapkan komputer dapat melakukan hal-hal yang apabila dikerjakan manusia memerlukan kecerdasan. Umumnya diterapkan pada masalah-masalah yang mengandung unsur ketidakpastian, ketidaktepatan, dan sebagainya (dikutip dari wikipedia).

Perancangan Sistem Kendali Suhu Ruangan

Sistem kendali suhu ruangan ini dirancang dalam bentuk prototype. Sistem dirancang agar dapat mengendalikan suhu pada suatu ruangan, adapun parameter sebagai pengendali adalah kondisi suhu pada ruangan dan banyaknya orang dalam ruangan tersebut, digunakan kipas angin sebagai pengendali suhu ruangan tersebut.

Komponen yang dibutuhkan

1x Arduino Uno

1x Sensor Suhu (DHT11)

2x Modul Sensor Infrared

2x Kipas DC

1x LCD + i2C

1x Driver Motor DC

Kabel Jumper Secukupnya

Berikut ini rangkaian elektrikalnya

Perancangan Sistem Fuzzy
Proses pembuatan sistem fuzzy terdapat beberapa tahapan alur proses untuk mendapatkan keluaran fuzzy mulai dari fuzzifikasi hingga defuzzifikasi.

Pada perancangan sistem kendali fuzzy ini terdapat beberapa bagian terpenting, yaitu sebagai berikut:

Fuzzifikasi : Pada proses fuzzifikasi, inputan crisp akan dirubah menjadi variabel linguistic (variabel Fuzzy).

Inferensi (Aturan Dasar) : Proses inferensi merupakan proses untuk mendapatkan keluaran dari rule set yang dibuat, ini merupakan inti dari proses fuzzy.

Defuzzifikasi : Proses defuzzifikasi merupakan proses terakhir dalam sistem Fuzzy. Proses ini merupakan proses perubahan data input yang telah dimasukkan dalam himpunan-himpunan Fuzzy untuk mendapatkan kembali bentuk tegasnya (Crisp). 

Baiklah.. selanjutnya masuk pada pembahasan utama, yaitu proses kendali fuzzy pada proyek kendali suhu ruangan ini, untuk tahapan akan dijelaskan adalah proses fuzzifikasi, proses inferensi dan proses defuzzifikasi, langsung saja untuk penjelasan tahap - tahap nya sebagai berikut :

Proses Fuzzifikasi
Pada proses ini dibuat beberapa fungsi keangotaan (membership function), yang digunakan sebagai input adalah membership fungsi suhu dan banyaknya orang dalam ruangan. Sedangkan output adalah persentase 0% - 100% pwm yang mengontrol kecepatan motor kipas.

Jika proses fuzzifikasi diterapkan pada program sebagai berikut :

Diatas merupakan program untuk proses fuzzifikasi pada mikrokontroler Arduino, pada fungsi hitung_member merupakan fungsi rumus perhitungan drajat keangotaan dengan menggunakan rumus kurva naik-turun. Pada fungsi fuzzifikasi merupakan proses fuzzifikasinya yaitu menghitung dan memasukkan nilai batas - batas untuk inputan suhu dan banyaknya orang dengan memanggil fungsi hitung_member.

Proses Inferensi dan Defuzzifikasi

Metode defuzzifikasi yang digunakan adalah centroid atau center of area (COA). Dimana nilai tegas outputnya diperoleh berdasarkan titik berat dari kurva hasil proses pengambilan keputusan. Dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

Nilai Min didapat dengan mengambil nilai terendah dari masing - masing keanggotaan antara suhu dan banyak orang.

Untuk mencari center of area (COA) dilakukan dengan menjumlahkan perkalian Nilai Minimum dengan bobot keanggotaan keluaran kecepatan kipas kemudian dibagi dengan jumlah Nilai Minimun. Jika diterapkan pada program sebagai berikut :

Program tersebut merupakan program untuk proses inferensi dan defuzzifikasi. Proses ini untuk mendapatkan keluaran dari rule set yang dibuat, inferensi kali ini digunkan metode mamdani atau disebut dengan metode max – min, variable array fuzzy_set merupakan nilai bobot sesuai dengan rule yang dibuat.

Digunakan fungsi max untuk mengambil nilai tertinggi dan min untuk mengambil nilai terkecilnya. Untuk proses fuzzifikasi digunakan metode Centre Of Area (COA) dan hasil dari fuzzifikasi ini merupakan keluaran untuk pwm kipas. 

Pada Program looping merupakan program untuk menjalankan semua fungsi-fungsi yang buat. Pada gambar diatas terdapat fungsi pembacan sensor infrared dan pemcaan sensor suhu yang dilakukan update setiap 2 detik, fungsi fuzzifikasi,defuzzifikasi juga dilakukan pada program looping serta menghasilkan output 0 hingga 100 yang akan dilakukan mapping dari 0 hingga 255 untuk pwm kipas, setelah itu dilakukan pemanggilan fungsi untuk menggerakkan kipas.

Program Arduino lengkapnya dapat di copy dibawah ini

/********************************
  Room Temperature Control System
  Based On Fuzzy Logic
  www.muhilham.com
  2018
*********************************/

#include "liquidcrystal_i2c.h"
LiquidCrystal_I2C lcd(0x3F, 16, 2);
#include "DHT.h"

DHT dht(4, DHT11);
int sen_in, sen_out, offset_sen_in, offset_sen_out; // variabel sensor infrared
boolean detect_in = false, detect_out = false;

int count;
float suhu,
      uMember,
      uDingin, uSejuk, uNormal, uPanas, uSangatPanas,
      uSangatSedikit, uSedikit, uSedang, uBanyak, uSangatBanyak,
      N_suhu[5], N_orang[5], kondisiSuhu, kondisiOrang, Min[25],
      Keluaran, Kecepatan;
String OutputFuzzy;

const int PWM_KIPAS   = 5,
          P1_KIPAS    = 6,
          P2_KIPAS    = 7,
          PWM_EXHAUST = 9,
          P1_EXHAUST  = 8,
          P2_EXHAUST  = 10;

long lastTime_readSen = 0, lastTime_LCD = 0;
int state_LCD = 1;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  lcd.begin();
  dht.begin();
  for (int i = 0; i <= 1; i++) {
    pinMode(i, INPUT);
  }
  for (int i = 5; i <= 10; i++) {
    pinMode(i, OUTPUT);
  }

  sen_in = analogRead(A0);
  sen_out = analogRead(A1);
  offset_sen_in = sen_in - 70;   // sample sensor masuk
  offset_sen_out = sen_out - 70; // sample sensor keluar
  count = 0;
  bacaSensor_suhu();
}

void loop() {
  sensor_count();

  if (millis() - lastTime_readSen > 2000) {
    bacaSensor_suhu();
    lastTime_readSen = millis();
  }
  //Serial.print(sen_in);
  //Serial.print(" | ");
  //Serial.print(sen_out);
  //Serial.print(" | ");
  //Serial.print(count);

  fuzzifikasi();
  defuzzifikasi();
  Output();
  Kecepatan = map(Keluaran, 0, 100, 0, 255);
  driveKipas_N_Exhaust(Kecepatan);
}

void bacaSensor_suhu() {
  // Reading temperature or humidity takes about 250 milliseconds!
  // Sensor readings may also be up to 2 seconds 'old' (its a very slow sensor)
  // Read temperature as Celsius (the default)
  suhu = dht.readTemperature();

  // Check if any reads failed and exit early (to try again).
  if (isnan(suhu)) {
    Serial.println("Failed to read from DHT sensor!");
    return;
  }
}

void sensor_count() {
  sen_in = analogRead(A0);
  sen_out = analogRead(A1);

  if (sen_in > offset_sen_in) {
    detect_in = false;
  }
  else if (sen_in < offset_sen_in && detect_in == false) {
    count++;
    detect_in = true;
    if (count >= 40)count = 40;
  }

  if (sen_out > offset_sen_out) {
    detect_out = false;
  }
  else if (sen_out < offset_sen_out && detect_out == false) {
    count--;
    detect_out = true;
    if (count < 0)count = 0;
  }
}

void driveKipas_N_Exhaust(float Kecepatan) {
  digitalWrite(P1_KIPAS, LOW);
  digitalWrite(P2_KIPAS, HIGH);
  analogWrite(PWM_KIPAS, Kecepatan);
  digitalWrite(P1_EXHAUST, LOW);
  digitalWrite(P2_EXHAUST, HIGH);
  analogWrite(PWM_EXHAUST, Kecepatan);
}

void hitung_member(int pilih, float Nilai, float A, float B, float C) {
  switch (pilih) {
    case 1:
      if ((Nilai >= A) && (Nilai <= B)) uMember = 1;
      if ((Nilai > B) && (Nilai < C)) uMember = (C - Nilai) / (C - B);
      if (Nilai >= C) uMember = 0;
      break;
    case 2:
      if ((Nilai <= A) || (Nilai >= C)) uMember = 0;
      if ((Nilai > A) && (Nilai < B)) uMember = (Nilai - A) / (B - A);
      if ((Nilai > B) && (Nilai < C)) uMember = (C - Nilai) / (C - B);
      if (Nilai == B) uMember = 1;
      break;
    case 3:
      if (Nilai <= A) uMember = 0;
      if ((Nilai > A) && (Nilai < B)) uMember = (Nilai - A) / (B - A);
      if (Nilai >= B) uMember = 1;
      break;
  }
}

void fuzzifikasi() {
  // Suhu
  uMember = 0;
  hitung_member(1, suhu, 0, 24, 26);
  uDingin = uMember;
  hitung_member(2, suhu, 24, 26, 29);
  uSejuk = uMember;
  hitung_member(2, suhu, 26, 29, 32);
  uNormal = uMember;
  hitung_member(2, suhu, 29, 32, 35);
  uPanas = uMember;
  hitung_member(3, suhu, 32, 35, 35);
  uSangatPanas = uMember;

  // Banyak Orang
  uMember = 0;
  hitung_member(1, count, 0, 5, 10);
  uSangatSedikit = uMember;
  hitung_member(2, count, 5, 10, 20);
  uSedikit = uMember;
  hitung_member(2, count, 10, 20, 30);
  uSedang = uMember;
  hitung_member(2, count, 20, 30, 40);
  uBanyak = uMember;
  hitung_member(3, count, 30, 40, 40);
  uSangatBanyak = uMember;
}

//int fuzzy_set[5][5] = {
//  //Cold|Cool|Nor|Hot|Vhot
//  {20, 20, 20, 60, 80},   //| Vlow
//  {20, 40, 20, 60, 80},   //| Low
//  {40, 40, 60, 80, 100},  //| Medium
//  {40, 60, 80, 100, 100}, //| High
//  {60, 80, 100, 100, 100} //| Very high
//};

//20 = Vslow, 40 = Slow, 60 = Med, 80 = Fast, 100 = Vfast
int fuzzy_set[5][5] = {
  //|vLow|Low|Med|High|vHigh
  {20, 20, 40,  40,  60},  //| Cold
  {20, 40, 40,  60,  80},  //| Cool
  {40, 40, 60,  80,  100}, //| Normal
  {60, 60, 80,  100, 100}, //| Hot
  {80, 80, 100, 100, 100}  //| Very hot
};

void defuzzifikasi() {
  float pembil = 0, penyeb = 0, centre_of_area = 0;
  N_suhu[5] = {};
  N_orang[5] = {};

  for (int set = 0; set < 25;) {
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      for (int j = 0; j < 5; j++) {
        float data_uSuhu[5] = {uDingin, uSejuk, uNormal, uPanas, uSangatPanas};
        N_suhu[i] = data_uSuhu[i];
        float data_uOrang[5] = {uSangatSedikit, uSedikit, uSedang, uBanyak, uSangatBanyak};
        N_orang[j] = data_uOrang[j];

        kondisiSuhu = max(N_suhu[i], kondisiSuhu);
        kondisiOrang = max(N_orang[j], kondisiOrang);

        /* Metode COA (Centre Of Area)*/
        min[set] = min(N_suhu[i], N_orang[j]);
        pembil  += Min[set] * fuzzy_set[i][j];
        penyeb  += Min[set];
        delay(5);
        set ++;
      }
    }
  }
  centre_of_area = pembil / penyeb;
  Keluaran = centre_of_area;
}

void basis_Aturan_output() {
  if (kondisiSuhu == uDingin && kondisiOrang == uSangatSedikit)OutputFuzzy = "Vslow";
  else if (kondisiSuhu == uDingin && kondisiOrang == uSedikit)OutputFuzzy = "Vslow";
  else if (kondisiSuhu == uDingin && kondisiOrang == uSedang)OutputFuzzy = "Slow";
  else if (kondisiSuhu == uDingin && kondisiOrang == uBanyak)OutputFuzzy = "Slow";
  else if (kondisiSuhu == uDingin && kondisiOrang == uSangatBanyak)OutputFuzzy = "Med";

  else if (kondisiSuhu == uSejuk && kondisiOrang == uSangatSedikit)OutputFuzzy = "Vslow";
  else if (kondisiSuhu == uSejuk && kondisiOrang == uSedikit)OutputFuzzy = "Slow";
  else if (kondisiSuhu == uSejuk && kondisiOrang == uSedang)OutputFuzzy = "Slow";
  else if (kondisiSuhu == uSejuk && kondisiOrang == uBanyak)OutputFuzzy = "Med";
  else if (kondisiSuhu == uSejuk && kondisiOrang == uSangatBanyak)OutputFuzzy = "Fast";

  else if (kondisiSuhu == uNormal && kondisiOrang == uSangatSedikit)OutputFuzzy = "Slow";
  else if (kondisiSuhu == uNormal && kondisiOrang == uSedikit)OutputFuzzy = "Slow";
  else if (kondisiSuhu == uNormal && kondisiOrang == uSedang)OutputFuzzy = "Med";
  else if (kondisiSuhu == uNormal && kondisiOrang == uBanyak)OutputFuzzy = "Fast";
  else if (kondisiSuhu == uNormal && kondisiOrang == uSangatBanyak)OutputFuzzy = "Vfast";

  else if (kondisiSuhu == uPanas && kondisiOrang == uSangatSedikit)OutputFuzzy = "Med";
  else if (kondisiSuhu == uPanas && kondisiOrang == uSedikit)OutputFuzzy = "Med";
  else if (kondisiSuhu == uPanas && kondisiOrang == uSedang)OutputFuzzy = "Fast";
  else if (kondisiSuhu == uPanas && kondisiOrang == uBanyak)OutputFuzzy = "Vfast";
  else if (kondisiSuhu == uPanas && kondisiOrang == uSangatBanyak)OutputFuzzy = "Vfast";

  else if (kondisiSuhu == uSangatPanas && kondisiOrang == uSangatSedikit)OutputFuzzy = "Fast";
  else if (kondisiSuhu == uSangatPanas && kondisiOrang == uSedikit)OutputFuzzy = "Fast";
  else if (kondisiSuhu == uSangatPanas && kondisiOrang == uSedang)OutputFuzzy = "Vfast";
  else if (kondisiSuhu == uSangatPanas && kondisiOrang == uBanyak)OutputFuzzy = "Vfast";
  else if (kondisiSuhu == uSangatPanas && kondisiOrang == uSangatBanyak)OutputFuzzy = "Vfast";
}

void Output() {
  //uMember_suhu_count();
  basis_Aturan_output();
  Tampil_Serial();
  Tampil_LCD();
}

void Tampil_Serial() {
  //Tampil Serial
  Serial.print(" Temp : ");
  Serial.print(suhu);
  Serial.print(" *C ");
  Serial.print(" ");
  tampil_member_suhu();
  if (kondisiSuhu == N_suhu[0])Serial.print("Cold");
  else if (kondisiSuhu == N_suhu[1])Serial.print("Cool");
  else if (kondisiSuhu == N_suhu[2])Serial.print("Normal");
  else if (kondisiSuhu == N_suhu[3])Serial.print("Hot");
  else if (kondisiSuhu == N_suhu[4])Serial.print("Very Hot");

  Serial.print(" | Count : ");
  Serial.print(count);
  Serial.print(" ");
  tampil_member_count();
  if (kondisiOrang == N_orang[0])Serial.print("Very Low");
  else if (kondisiOrang == N_orang[1])Serial.print("Low");
  else if (kondisiOrang == N_orang[2])Serial.print("Medium");
  else if (kondisiOrang == N_orang[3])Serial.print("High");
  else if (kondisiOrang == N_orang[4])Serial.print("Very High");

  Serial.print(" | ");
  if (OutputFuzzy == "Vslow")     Serial.print("Fan : Very Slow");
  else if (OutputFuzzy == "Slow") Serial.print("Fan : Slow");
  else if (OutputFuzzy == "Med")  Serial.print("Fan : Medium");
  else if (OutputFuzzy == "Fast") Serial.print("Fan : Fast");
  else if (OutputFuzzy == "Vfast")Serial.print("Fan : Very Fast");
  Serial.print(" LV : ");
  Serial.print(Keluaran);
  Serial.print("%");
  Serial.print(" PWM : ");
  Serial.print(Kecepatan);
  Serial.println();
}

void Tampil_LCD() {
  lcd.backlight();
  if (millis() - lastTime_LCD > 5000) {
    state_LCD = 1;
    lastTime_LCD = millis();
  }
  if (millis() > lastTime_LCD + 2500) {
    state_LCD = 2;
  }

  if (state_LCD == 1) {
    lcd.setCursor (0, 0);
    lcd.print("Temp:");
    lcd.print((int)suhu);
    lcd.print("C ");
    if (kondisiSuhu == N_suhu[0])lcd.print("   Cold");
    if (kondisiSuhu == N_suhu[1])lcd.print("   Cool");
    if (kondisiSuhu == N_suhu[2])lcd.print(" Normal");
    if (kondisiSuhu == N_suhu[3])lcd.print("    Hot");
    if (kondisiSuhu == N_suhu[4])lcd.print("VeryHot");

    lcd.setCursor (0, 1);
    lcd.print("Cont:");
    lcd.print((int)count);
    lcd.print(" ");
    lcd.setCursor (7, 1);
    if (kondisiOrang == N_orang[0])lcd.print("  VeryLow");
    if (kondisiOrang == N_orang[1])lcd.print("      Low");
    if (kondisiOrang == N_orang[2])lcd.print("   Medium");
    if (kondisiOrang == N_orang[3])lcd.print("     High");
    if (kondisiOrang == N_orang[4])lcd.print(" VeryHigh");
  }
  else if (state_LCD == 2) {
    lcd.setCursor (0, 0);
    lcd.print("  PWM: ");
    lcd.print((float)Keluaran);
    lcd.print("%   ");
    lcd.setCursor (0, 1);
    if (OutputFuzzy == "Vslow")     lcd.print("   Very Slow    ");
    else if (OutputFuzzy == "Slow") lcd.print("      Slow      ");
    else if (OutputFuzzy == "Med")  lcd.print("     Medium     ");
    else if (OutputFuzzy == "Fast") lcd.print("      Fast      ");
    else if (OutputFuzzy == "Vfast")lcd.print("   Very Fast    ");
  }
}
void uMember_suhu_count() {
  Serial.print(" Temp : ");
  Serial.print(suhu);
  Serial.print(" *C ");
  Serial.print(" ");
  Serial.print("Cold:");
  Serial.print(uDingin);
  Serial.print(" Cool:");
  Serial.print(uSejuk);
  Serial.print(" Nor:");
  Serial.print(uNormal);
  Serial.print(" Hot:");
  Serial.print(uPanas);
  Serial.print(" VHot:");
  Serial.print(uSangatPanas);
  Serial.print(" ");

  Serial.print(" | Count : ");
  Serial.print(count);
  Serial.print(" ");
  Serial.print("VLow:");
  Serial.print(uSangatSedikit);
  Serial.print(" Low:");
  Serial.print(uSedikit);
  Serial.print(" Med:");
  Serial.print(uSedang);
  Serial.print(" High:");
  Serial.print(uBanyak);
  Serial.print(" VHigh:");
  Serial.println(uSangatBanyak);
}

void tampil_member_suhu() {
  //if (uDingin != 0.00) {
    Serial.print("Cold:");
    Serial.print(uDingin);
  //}
  //if (uSejuk != 0.00) {
    Serial.print(" Cool:");
    Serial.print(uSejuk);
  //}
  //if (uNormal != 0.00) {
    Serial.print(" Nor:");
    Serial.print(uNormal);
  //}
  //if (uPanas != 0.00) {
    Serial.print(" Hot:");
    Serial.print(uPanas);
  //}
  //if (uSangatPanas != 0.00) {
    Serial.print(" VHot:");
    Serial.print(uSangatPanas);
  //}
  Serial.print(" ");
}

void tampil_member_count() {
  //if (uSangatSedikit != 0.00) {
    Serial.print("VLow:");
    Serial.print(uSangatSedikit);
  //}
  //if (uSedikit != 0.00) {
    Serial.print(" Low:");
    Serial.print(uSedikit);
  //}
  //if (uSedang != 0.00) {
    Serial.print(" Med:");
    Serial.print(uSedang);
  //}
  //if (uBanyak != 0.00) {
    Serial.print(" High:");
    Serial.print(uBanyak);
  //}
  //if (uSangatBanyak != 0.00) {
    Serial.print(" VHigh:");
    Serial.print(uSangatBanyak);
  //}
  Serial.print(" ");
}