Kemajuan teknologi hardware dan software memungkinkan untuk menggunakan smartphone atau Internet of Things untuk memantau lingkungan secara realtime. Dalam beberapa tahun terakhir, banyak upaya telah dilakukan untuk mengembangkan sistem peringatan dini gempa bumi berbasis ponsel cerdas, di mana sensor akselerasi berbiaya rendah di dalam ponsel cerdas digunakan untuk menangkap sinyal gempa. 

Namun, karena smartphone dilengkapi dengan CPU yang kuat, memori yang besar, dan beberapa sensor, maka akan sia-sia jika sumber daya tersebut digunakan hanya untuk mendeteksi gempa bumi. Selain itu, karena smartphone sebagian besar digunakan pada siang hari, data yang diperoleh tidak dapat digunakan untuk mendeteksi gempa bumi akibat aktivitas manusia. Oleh karena itu, dalam artikel ini, kami memperkenalkan perangkat mandiri yang dilengkapi dengan sensor akselerasi berbiaya rendah dan sumber daya komputasi yang paling sedikit untuk mendeteksi gempa bumi. 

Untuk itu, pertama-tama kami memilih sensor akselerasi yang sesuai dengan menilai kinerja dan akurasi dari empat sensor yang berbeda. Kemudian, kami merancang dan mengembangkan perangkat peringatan gempa bumi. Untuk mendeteksi gempa bumi, kami menggunakan teknik pembelajaran mesin sederhana yang melatih model deteksi gempa bumi dengan gerakan harian, data kebisingan yang direkam di gedung-gedung, dan gempa bumi yang direkam di masa lalu. Selanjutnya, kami mengevaluasi empat sensor akselerasi dengan merekam dua gempa bumi realistis di atas shake-table. Dalam percobaan tersebut, hasilnya menunjukkan bahwa perangkat peringatan gempa yang dikembangkan berhasil mendeteksi gempa dan mengirim pesan peringatan ke perangkat terdekat, sehingga memungkinkan respon proaktif terhadap gempa.

Pengertian Gempa Bumi

Gempa bumi adalah goncangan pada permukaan bumi, yang diakibatkan oleh pelepasan energi secara tiba-tiba di dalam litosfer bumi yang menghasilkan gelombang seismik. Dengan kata yang sangat sederhana, kata gempa bumi dapat digambarkan sebagai peristiwa seismik - baik yang terjadi secara alamiah maupun akibat ulah manusia yang menghasilkan gelombang seismik. Karena gelombang seismik atau gelombang getaran juga dapat dihasilkan oleh manusia, maka pembacaan yang salah dapat dihasilkan oleh sensor pemantauan. Untuk mengatasi masalah ini, setiap kota dapat memiliki 2 atau 3 sensor untuk lebih memastikan gempa bumi.

Mengenal Teknologi Pendeteksi Gempa Bumi

Dalam satu dekade terakhir, kemunculan perangkat mobile, khususnya smartphone dan Internet of Things (IoT) telah membawa perubahan dan perkembangan yang signifikan baik pada perangkat keras maupun perangkat lunak. Teknologi IoT membangun sistem pintar yang kuat untuk menganalisis dan memantau beberapa sistem secara real time. 

Teknologi ini menyediakan layanan di rumah pintar, gedung pintar, sistem transportasi cerdas, perawatan kesehatan pintar, jaringan pintar, dan kota pintar. Potensi terbesarnya terletak pada sistem pemantauan. misalnya, di lantai pintar, ia akan memanggil ambulans ketika mendeteksi ada orang tua yang jatuh. Demikian pula, perangkat seluler terus memantau tanda-tanda vital pengguna dan melaporkan penyakit apa pun yang terdeteksi. Perangkat seluler seperti smartphone merupakan bagian integral dari sistem IoT, dan perangkat yang paling sering digunakan dalam sistem IoT, karena dilengkapi dengan sensor seperti akselerometer, giroskop, GPS, dan magnetometer, dll. Sensor-sensor ini banyak digunakan dalam sistem IoT untuk mendapatkan informasi yang berguna untuk berbagai tujuan, seperti layanan yang sadar lokasi, game, dan aplikasi perawatan kesehatan, dll.

Setiap tahun diperkirakan akan terjadi 16 gempa bumi besar, 15 diantaranya berkekuatan 7,0 SR dan 1 gempa bumi berkekuatan 8,0 SR atau lebih besar, yang dapat menyebabkan korban jiwa dan kerusakan di wilayah padat penduduk. Akibatnya, ada permintaan yang tinggi untuk mengembangkan sistem peringatan dini yang dapat mendeteksi gempa bumi dan meresponsnya dalam waktu yang sangat singkat untuk menghindari korban jiwa dan kerusakan. 

Dalam beberapa tahun terakhir, beberapa upaya yang menjanjikan telah dilakukan untuk mendeteksi gempa bumi dengan menggunakan sensor perangkat seluler. Sensor akselerasi berbasis MEMS telah digunakan dalam beberapa tahun terakhir dalam sistem pemantauan gempa bumi yang berbeda. Dalam sistem ini, sensor akselerasi secara terus menerus merekam guncangan dan kemudian mendeteksi gempa bumi menggunakan algoritma pemicu langsung atau teknik pembelajaran mesin.

Pada artikel ini, kami menyajikan perangkat IoT cerdas yang dapat mendeteksi guncangan yang disebabkan oleh gempa bumi dan kemudian mengirimkan pesan peringatan yang sesuai dengan kekuatan guncangan. Perangkat ini dapat dipasang pada dinding atau langit-langit bangunan. Karena perangkat pintar yang diusulkan hanya dilengkapi dengan sensor-sensor yang diperlukan yang meliputi akselerometer, WiFi, dan mikroprosesor, maka biayanya sangat rendah dibandingkan dengan smartphone. Berdasarkan biaya dan kinerja, kami dengan hati-hati mengevaluasi empat sensor akselerasi yang berbeda untuk menentukan dan memilih spesifikasi perangkat keras yang sesuai untuk perangkat kami.

Sistem yang dikembangkan beroperasi sebagai detektor mandiri. Sistem ini menggunakan algoritma pendeteksi gempa yang selanjutnya menggunakan model pembelajaran mesin yang terlatih untuk mendeteksi sinyal gempa yang terekam pada akselerometer. Menggunakan fitur yang sama dengan yang diusulkan. Model ini mendeteksi gempa bumi dan segera mengirimkan alarm (respon) kepada pengguna di sekitar. Sebaliknya, pendekatan lain membutuhkan koneksi internet untuk menghubungkan sensor ke server jarak jauh atau cloud, untuk pemrosesan lebih lanjut (seperti deteksi dan respon akhir).

Sistem Kerja Alat Pendeteksi Gempa Bumi

Waktu yang diperlukan untuk mendeteksi dan mengeluarkan peringatan gempa bumi tergantung pada beberapa faktor:

Jarak antara sumber gempa dan jaringan seismometer (stasiun) terdekat
Dibutuhkan waktu yang terbatas (3-4 mil per detik) untuk gelombang seismik (gempa) pertama untuk menyebar dari sumbernya (misalnya, titik di patahan yang sedang pecah) ke stasiun seismik. Oleh karena itu, semakin dekat sebuah stasiun dengan tempat terjadinya gempa bumi, semakin cepat gempa bumi tersebut dapat dideteksi. Deteksi yang akurat sering kali bergantung pada beberapa pengukuran gerakan tanah dari lebih dari satu stasiun; jadi, meningkatkan kepadatan stasiun di dekat patahan dapat meningkatkan waktu deteksi.

Transfer informasi ke jaringan regional
Data dari beberapa stasiun dikumpulkan dan dianalisis oleh jaringan seismik regional, sehingga informasi gerakan tanah harus ditransfer dari stasiun ke pusat pemrosesan. Jaringan yang ada menggunakan berbagai metode untuk mengirim data kembali ke server untuk meningkatkan ketahanan, termasuk sambungan radio, sambungan telepon, internet publik/swasta, dan sambungan satelit. Selain itu, penundaan dari pengemasan dan pengiriman data dari stasiun harus diminimalkan untuk memberikan waktu peringatan yang berguna.

Deteksi dan karakteristik gempa bumi
Catatan gerakan tanah yang diterima dari stasiun secara real-time digunakan untuk mendeteksi gempa bumi dan dengan cepat menentukan lokasi awal dan besarnya kejadian. Kami sedang mengembangkan beberapa algoritma untuk memperkirakan informasi gempa secepat mungkin. Gempa bumi dapat terus bertambah besar dalam hitungan detik (semakin besar gempa bumi umumnya semakin lama waktu yang dibutuhkan untuk mencapai ukuran akhir), sehingga estimasi magnitudo juga dapat berubah seiring berjalannya waktu saat gempa bumi yang berkembang dilacak.

Batas intensitas guncangan yang digunakan untuk mengeluarkan peringatan Peringatan dikeluarkan untuk suatu wilayah ketika intensitas guncangan tanah yang diharapkan berada di atas ambang batas minimum. Peringatan dapat diberikan lebih cepat untuk ambang batas guncangan tanah yang rendah karena sistem tidak perlu menunggu lama sampai magnitudo gempa bertambah besar (gempa yang lebih besar menghasilkan intensitas guncangan tanah yang tinggi).

Contoh Sistem Peringatan Gempa Bumi

Di luar negri sistem peringatan gempa bumi telah hadir dalam beberapa dekade terakhir, kita ambil contoh sistem peringan gempa bumi milik Amerika Serikat yaitu:

Shake Alert:
Shake Alert adalah sistem peringatan dini gempa bumi eksperimental (EEW) untuk pantai barat Amerika Serikat dan Pasifik Barat Laut yang disponsori oleh Survei Geologi Amerika Serikat (USGS). 

Sistem ini akan mengeluarkan peringatan otomatis untuk memberikan waktu bagi masyarakat untuk mengambil tindakan perlindungan seperti "tiarap, berlindung, dan berpegangan" jika terjadi gempa, mencegah cedera akibat puing-puing yang berjatuhan, secara otomatis menghentikan sistem transportasi umum, mencegah mobil melewati jembatan atau terowongan, secara otomatis mematikan sistem industri dan saluran gas, dan memicu protokol khusus di rumah sakit dan lingkungan kerja yang sensitif. Pada awalnya, sistem ini akan mencakup pantai barat Amerika Utara yang terpapar risiko gempa bumi yang signifikan di sepanjang zona patahan San Andreas atau zona subduksi Cascadia.

Sistem ShakeAlert mengeluarkan peringatan untuk beberapa gempa bumi signifikan di California selatan pada tahun 2014, termasuk kejadian M4.4 di Encino, M4.2 di Westwood, dan M5.1 di La Habra.

ShakeAlert mengeluarkan peringatan 5,4 detik setelah dimulainya gempa berkekuatan 6,0 SR yang melanda wilayah Napa pada tanggal 24 Agustus 2014. Meskipun pada awalnya dilaporkan bahwa sistem ini memberikan peringatan 10 detik sebelum gelombang S tiba di Berkeley, informasi selanjutnya menunjukkan bahwa hal ini keliru dan peringatan tersebut tiba hanya 5 detik sebelum gelombang S di Berkeley. Ini berarti gelombang S telah tiba di Napa dan Vallejo ketika peringatan dikeluarkan. San Francisco menerima peringatan 8 detik sebelum gelombang muncul

METODOLOGI

Tujuan utama dari penelitian ini adalah untuk mendeteksi gempa bumi dan memberikan peringatan dini kepada masyarakat. Hal ini dapat dilakukan dengan mengirimkan pesan peringatan melalui IOT, cara yang lebih akurat dan cerdas untuk mengirimkan pesan kepada masyarakat. Dengan demikian ponsel pintar tersebut diisyaratkan dengan pesan peringatan oleh IOT dan dengan begitu manusia sadar.

Berikut komponen-komponen yang digunakan dalam alat ini.
1.Vibration sensors
2.Accelerometer
3.Arduino
4.Node MCU
5.GSM Module
6.LCD display

Masyarakat yang tidak memiliki ponsel pintar juga dapat diperingatkan melalui modul GSM, di mana peringatan pesan dikirim ke stasiun pangkalan terdekat dan dari sana nomor yang berwenang dapat diberitahu. Sistem peringatan dini gempa bumi memantau untuk memperingatkan manusia dan perangkat ketika gelombang guncangan yang dihasilkan oleh gempa bumi diperkirakan akan tiba di lokasi yang ditentukan, bahkan beberapa detik atau menit peringatan dini dapat memungkinkan orang untuk mengambil tindakan untuk melindungi nyawa mereka dan berpindah ke tempat yang lebih aman.

Sistem peringatan dini gempa bumi ini menggunakan cara cerdas untuk mentransfer sinyal peringatan ke ponsel yang dilakukan dengan istilah IOT. Bagian hardware berperan untuk mendeteksi dan membaca sinyal dengan sukses. Dengan demikian bagian software berperan untuk mengirimkan sinyal peringatan kepada manusia yang dilakukan oleh teknologi IOT. Program Arduino sangat membantu untuk interface hardware kit dan untuk mengontrol dan memantau pembacaan oleh software. Dengan demikian setiap sensor yang  terhubung ke yang lain akhirnya terhubung ke gateway yang terhubung ke Program Arduino. Platform dibuat sedemikian rupa sehingga sensor pembacaan dipantau dalam bentuk numerik dan representasi grafis. Saat bumi bergetar nilai pembacaan dapat dilihat di database. Ini menciptakan platform untuk menyediakan tautan antara IOT, Cloud dan sinyal peringatan. Dengan demikian program arduino membantu menyampaikan sinyal peringatan dini mencapai publik.