Pemantauan Kualitas Air Berbasis IoT

Pencemaran air merupakan salah satu ancaman utama akhir-akhir ini karena air minum semakin terkontaminasi dan tercemar. Air yang tercemar dapat menimbulkan berbagai penyakit bagi manusia dan hewan, yang pada akhirnya mempengaruhi siklus hidup ekosistem. Jika pencemaran air terdeteksi pada tahap awal, tindakan yang sesuai dapat diambil dan situasi kritis dapat dihindari. Untuk memastikan pasokan air murni, kualitas air harus diperiksa secara real-time. 

Solusi cerdas untuk pemantauan pencemaran air semakin signifikan akhir-akhir ini dengan inovasi dalam teknologi sensor, komunikasi, dan Internet of Things (IoT). Dalam makalah ini, ulasan rinci tentang karya terbaru yang diterapkan di arena sistem pemantauan pencemaran air pintar disajikan. Makalah ini mengusulkan sistem pemantauan kualitas air pintar berbasis IoT yang hemat biaya dan efisien yang memantau parameter kualitas tanpa gangguan. Model yang dikembangkan diuji dengan tiga sampel air dan parameternya dikirimkan ke server cloud untuk tindakan lebih lanjut.

Pencemaran air terjadi ketika bahan mematikan berpindah ke sumber air seperti kolam, sungai, danau, laut dan samudera, larut dan tersuspensi dalam air atau terendapkan di tempat tidur. Pencemaran akan menurunkan kualitas dan kemurnian air. Memastikan air yang murni dan lebih aman sangat menantang karena sumber bahan kimia dan kontaminan yang tidak semestinya. Pencemaran air dapat dipicu oleh berbagai cara; salah satu penyebab utama pencemaran adalah pembuangan limbah industri dan limbah kota. Sumber polusi sekunder adalah polutan yang masuk ke air dari tanah atau dari atmosfer melalui hujan atau dari sistem air tanah. Biasanya, tanah dan air tanah terdiri dari residu praktik pertanian modern dan juga limbah industri yang dibuang secara tidak pantas. Polutan utama air termasuk virus, bakteri, pupuk,parasit, produk farmasi, pestisida, nitrat, limbah tinja, zat radioaktif fosfat dan plastik. Bahan-bahan ini tidak selalu mengubah warna air, tetapi mungkin merupakan kontaminan yang tidak dapat dibedakan. Oleh karena itu sejumlah kecil air dari sumber daya air tersebut dan organisme laut diperiksa untuk menentukan kualitas air.

Penurunan kualitas air merugikan kesehatan, lingkungan dan ekonomi. David Malpass, Presiden Bank Dunia memperingatkan tentang pengaruh terhadap ekonomi: "Kualitas air yang memburuk menghambat pertumbuhan ekonomi dan memperburuk kemiskinan di banyak negara". Artinya, jika kebutuhan oksigen biologis, penunjuk yang digunakan untuk mengukur pencemaran organik dalam air, melampaui ambang batas, pertumbuhan Produk Domestik Bruto (PDB) daerah pemilihan yang dikelilingi oleh cekungan air yang bersekutu akan berkurang sepertiganya. Konsekuensi dari pencemaran air atau kualitas air yang buruk adalah:

• Penghancuran keanekaragaman hayati: Pencemaran air mengurangi ekosistem perairan dan memulai peningkatan fitoplankton yang tidak terkendali dalam sumber daya air. Kontaminasi rantai makanan: Penangkapan ikan yang dilakukan di sumber air yang tercemar dan pemanfaatan air limbah untuk pertanian dan peternakan dapat menyebabkan penambahan racun atau kontaminan ke dalam makanan yang berbahaya bagi kesehatan setelah dikonsumsi.
• Kelangkaan air minum: Jika pencemaran air meningkat atau kualitas air minum tidak terjaga, maka tidak akan ada air bersih untuk minum atau kesehatan masyarakat atau sanitasi, baik di pedesaan maupun perkotaan.
• Penyakit: Menurut informasi WHO (Organisasi Kesehatan Dunia), kira-kira 2 miliar orang di seluruh dunia tidak memiliki pilihan untuk sumber air murni, tetapi mereka harus minum air yang tercemar oleh kotoran, yang membuat mereka terkena banyak penyakit .
• Kematian bayi: Menurut WHO, penyakit diare yang terkait dengan kurangnya kebersihan mengakibatkan kematian hampir 1000 anak per hari di seluruh dunia.

Pemantauan kualitas air dibatasi sebagai bermacam-macam data di tempat yang ditentukan atau diinginkan dan pada interval berkala untuk memberikan informasi yang mungkin biasa menggambarkan kondisi air saat ini. Tujuan dari sistem pemantauan kualitas air pintar adalah:

• Untuk mengukur metrik kualitas yang berbahaya seperti sifat fisik, kimia, dan mikroba.
• Untuk menemukan penyimpangan dalam metrik terukur dan memberikan peringatan tepat waktu dalam mengenali ancaman atau bahaya.
• Untuk memberikan analisis real-time dari data sensor dan merekomendasikan tindakan korektif yang sesuai.

Persyaratan keterlibatan pengguna untuk mempertahankan kualitas air dan memperhatikan aspek tambahan seperti kebersihan, sanitasi lingkungan , pembuangan dan penyimpanan merupakan komponen penting dalam menjaga kualitas badan air.

Pasika dan Gandla mengusulkan suatu sistem pemantauan yang terdiri dari sejumlah sensor yang digunakan untuk mengukur beberapa parameter kualitas seperti kekeruhan, nilai pH, ketinggian air dalam tangki, kelembaban lingkungan sekitar dan suhu air. Sensor dihubungkan dengan Unit Mikrokontroler (MCU) dan pemrosesan tambahan dijalankan oleh Personal Computer (PC). Data yang diperoleh akan diarahkan ke cloud melalui aplikasi Think Speak berbasis Internet of Things (IoT) untuk memantau kualitas air yang diuji. Sebagai arahan di masa depan, pekerjaan harus diperluas untuk menganalisis beberapa parameter lain seperti nitrat, konduktivitas listrik, oksigen terlarut dalam air dan bebas residu klorin.

Mukta. Mengembangkan sistem Pemantauan Kualitas Air Cerdas (Smart Water Quality Monitoring/SWQM) berbasis IoT yang membantu pengukuran kualitas air secara terus-menerus berdasarkan empat parameter kualitas air yang berbeda yaitu pH, suhu, kekeruhan, dan konduktivitas listrik. Empat sensor berbeda digabungkan ke Arduino Uno untuk merasakan parameter kualitas. Data yang dikumpulkan dari keempat sensor tersebut dikomunikasikan ke aplikasi desktop yang dikembangkan dalam platform .NET dan data yang diekstraksi dicocokkan dengan nilai standar. Berdasarkan data yang dikumpulkan dari sensor, model SWQM yang dikembangkan akan secara efektif memeriksa parameter kualitas air dengan menggunakan fast forest binary classifier untuk mengklasifikasikan sampel air yang diuji apakah dapat diminum atau tidak.

Konde dan Deosarkar mengusulkan metode untuk mengembangkan sistem Pemantauan Kualitas Air Cerdas (SWQM) dengan perangkat antarmuka sensor yang dapat dikonfigurasi ulang menggunakan lingkungan IoT. Sensor, papan Field Programmable Gate Array (FPGA), modul komunikasi nirkabel berbasis Zigbee digunakan dalam model yang diusulkan. Enam parameter kualitas air yang berbeda seperti kekeruhan, pH, kelembaban, ketinggian air, suhu air dan karbondioksida (CO2) di permukaan air dianggap secara real-time. Metode yang diusulkan akan memberikan bantuan dalam menjaga lingkungan badan air yang lebih aman dan seimbang. Sistem SWQM mengurangi biaya dan waktu dalam menentukan kualitas air pada sumber daya air sebagai bagian dari pengelolaan keseimbangan lingkungan dan ekologi. Dalam pekerjaan masa depan yang disarankan, jaringan WSN akan dikembangkan dengan melibatkan penambahan jumlah node untuk mencakup area cakupan.

Penempatan di lokasi yang berbeda

Amruta dan Satish mengusulkan sistem Pemantauan Kualitas Air Bertenaga Surya dengan menggunakan Jaringan Sensor nirkabel. Underwater Wireless Sensor Network (UWSN) merupakan komponen dasar dalam pemantauan kualitas air dengan menggunakan teknologi wireless sensor network (WSN) yang ditenagai oleh panel photovoltaic atau solar panel. Untuk memantau kualitas air secara real-time di berbagai lokasi, arsitektur sistem yang luar biasa diusulkan yang terdiri dari stasiun pangkalan dan node sensor terdistribusi. Semua node dan base station dihubungkan dengan penggunaan teknologi Zigbee WSN. Merancang dan mengimplementasikan model prototipe dengan menggunakan node yang digerakkan oleh panel surya dan teknologi WSN adalah tugas yang membingungkan. 

Data yang dikumpulkan di setiap node seperti kekeruhan, kadar oksigen dan nilai pH dari berbagai sensor akan dikirim ke base station melalui WSN. Data yang dikumpulkan dari berbagai lokasi dapat ditampilkan dalam beberapa bentuk yang dapat dibaca dan analisis dapat dilakukan di stasiun pangkalan dengan menggunakan berbagai alat simulasi. Sistem pemantauan kualitas air baru yang dikembangkan ini memiliki berbagai keuntungan seperti konsumsi daya yang lebih sedikit, tidak ada emisi karbon dan kelenturan yang lebih tinggi untuk Sughapriya et al. Mengembangkan metode untuk menentukan kualitas air menggunakan IoT dan modul sensor yang berbeda. 

Sistem ini menggunakan berbagai sensor untuk memantau kualitas air dengan menentukan pH, kekeruhan, konduktivitas dan suhu. Kontroler Arduino yang digunakan akan mengakses data sensor. Dengan penggunaan IoT, data yang terkumpul dianalisis dan pencemaran air dapat diselidiki dengan mekanisme yang ketat. Selain itu, sistem yang dikembangkan mengirimkan peringatan dan pemberitahuan kepada masyarakat dan otoritas yang khawatir tentang kualitas air. Tugas pemantauan kualitas air dapat dicapai dengan orang-orang yang kurang terlatih juga. Pemasangan sistem pemantauan kualitas air dapat dicapai dengan mudah di dekat sumber daya air (area target). Model yang dikembangkan yang diusulkan terdiri dari berbagai sensor yang menghitung parameter kualitas air secara real-time untuk rencana tindakan segera. Model yang dikembangkan juga akurat, ekonomis dan membutuhkan lebih sedikit tenaga kerja.

Unnikrishnan Menon et al. Mengusulkan metode pemantauan kualitas air di sungai yang dikembangkan berdasarkan jaringan sensor nirkabel yang membantu pemantauan parameter kualitas air secara terus-menerus dan jarak jauh. Pada sistem ini dirancang wireless sensor node untuk memantau pH air secara terus menerus yang merupakan parameter kunci yang mempengaruhi kualitas air. Desain node sensor terutama terdiri dari modul pemrosesan, modul pengkondisian sinyal, modul daya dan modul komunikasi nirkabel. 

Data penginderaan dari sensor pH dikomunikasikan ke base station dengan menggunakan modul komunikasi nirkabel yaitu menggunakan modul Zigbee setelah pemrosesan sinyal dan teknik pengkondisian sinyal yang diperlukan. Rangkaian dikembangkan untuk node sensor dengan merancang, mensimulasikan dan prototipe perangkat keras dibangun dengan menggunakan komponen rangkaian yang sesuai. Ini meminimalkan kebutuhan daya untuk sistem dan platform berbiaya rendah disediakan untuk memantau kualitas air dari sumber daya air.

Secara umum sistem pemantauan kualitas air terdiri dari berbagai macam sensor seperti sensor pH, sensor kekeruhan, sensor suhu, sensor konduktivitas , sensor kelembaban dan masih banyak lagi sensor lainnya. Diagram blok umum sistem pemantauan kualitas air pintar. Pengontrol inti membentuk jantung dari sistem. Semua sensor terhubung ke pengontrol inti dan pengontrol ini mengontrol operasi, mendapatkan data dari sensor, dan membandingkannya dengan nilai standar dan mengirimkan nilai ke pengguna akhir atau otoritas terkait melalui modul nirkabel

Dengan kemajuan teknologi IoT, sistem pemantauan kualitas air menjadi lebih pintar dengan pengurangan konsumsi daya dan kemudahan pengoperasian. Menunjukkan diagram alir pengoperasian sistem pemantauan kualitas air pintar.

Pengontrol inti terintegrasi dengan berbagai sensor seperti sensor pH, sensor konduktivitas, sensor suhu, sensor kekeruhan dan banyak sensor. Lead sensor ditempatkan di dalam air untuk diuji. Nilai sensor akan diproses oleh ADC dan pengontrol inti membaca nilainya dan akan diunggah ke cloud. Nilai-nilai tersebut akan dipantau terus menerus dengan memeriksa apakah nilai sensor lebih besar dari threshold atau tidak. Jika nilai sensor lebih besar dari threshold, maka akan dikomunikasikan kepada end user yang bersangkutan untuk ditindaklanjuti. Jika nilai sensor lebih kecil dari ambang batas, maka parameter diperiksa lagi untuk sumber air yang berbeda.

Pekerjaan terdiri dari dua bagian, yang pertama adalah perangkat keras & yang kedua adalah perangkat lunak. Bagian perangkat keras memiliki sensor yang membantu mengukur nilai waktu nyata, yang lainnya adalah arduino ATMEGA328 yang mengubah nilai analog menjadi digital dan LCD menunjukkan keluaran tampilan dari sensor, modul Wi-Fi memberikan koneksi antara perangkat keras dan perangkat lunak. ATMEGA328 memiliki modul ADC dan Wi-Fi bawaan.
Parameter kualitas air diperiksa satu per satu dan diperbarui di cloud server serta nilainya ditampilkan di layar LCD [ [20] , [21] , [22] ].

Kesimpulan
Pencemaran Air merupakan ancaman utama bagi negara manapun, karena mempengaruhi kesehatan, ekonomi dan merusak keanekaragaman hayati. Dalam karya ini, sebab dan akibat pencemaran air disajikan, serta tinjauan komprehensif tentang berbagai metode pemantauan kualitas air dan IoT yang efisien.metode berbasis pemantauan kualitas air telah dibahas. Meskipun sudah banyak sistem pemantauan kualitas air pintar yang sangat baik, area penelitian masih tetap menantang. 

Karya ini menyajikan tinjauan karya-karya terbaru yang dilakukan oleh para peneliti untuk membuat sistem pemantauan kualitas air yang cerdas, bertenaga rendah dan sangat efisien sehingga pemantauan akan terus berlanjut dan peringatan/pemberitahuan akan dikirim ke otoritas terkait untuk diproses lebih lanjut. Model yang dikembangkan hemat biaya dan mudah digunakan (fleksibel). Tiga sampel air diuji dan berdasarkan hasil tersebut, air dapat diklasifikasikan apakah dapat diminum atau tidak.

Sebagai arahan ke depan, sarannya adalah menggunakan sensor terbaru untuk mendeteksi berbagai parameter kualitas lainnya, menggunakan standar komunikasi nirkabel untuk komunikasi yang lebih baik dan IoT untuk membuat sistem pemantauan kualitas air yang lebih baik dan sumber daya air dapat dibuat aman dengan respon segera.