Pengembangan Sistem Kontrol Cerdas Berbasis Internet Of Things Untuk Peningkatan Produktivitas Dan Mutu Purwoceng Sebagai Bahan Baku Industri Jamu

Abstract

Sebelum riset dalam rangka pengembangan sistem kontrol berbasis Internet of Things untuk meningkatkan produktivitas dan mutu purwoceng ini dilakukan, sejak tahun 2017 sampai dengan 2019 telah dilakukan penelitian terkait, yaitu antara lain: 1) monitoring pertumbuhan guava menggunakan sistem kontrol berbasis IoT, 2) monitoring dan optimasi siklus hidup tanaman di plant factory, 3) kajian kandungan bahan kimia dan bobot panen purwoceng, kajian sensitivitas air dan pencahayaan greenhouse untuk budidaya purwoceng, 4) kajian teknologi greenhouse di wilayah tropika basah dan penerapan sistem zone cooling. Selanjutnya, mengingat potensinya sebagai bahan baku industri jamu dan adanya ancaman kepunahan tanaman purwoceng maka pengembangan sistem kontrol cerdas untuk peningkatan produktivitas dan mutu purwoceng yang dibudidayakan di dalam greenhouse dan plant factory perlu dilakukan. Hal ini merupakan bagian dari road map dari riset di bidang teknologi greenhouse dan hidroponik serta pengembangan sistem kontrol cerdas berbasis Internet of Things (IoT). Program Riset Inovatif-Produktif (Rispro) Invitasi ini bertujuan untuk mengintegrasi beberapa kajian yang telah ada sebelumnya ke tahap pengembangan sistem kontrol cerdas berbasis IoT di lingkungan terkendali di luar Dieng untuk peningkatan produktivitas dan mutu tanaman purwoceng sebagai bahan baku industri jamu. Riset ini direncanakan untuk dilakukan selama dua tahun. Riset pada tahun pertama diarahkan pada pencapaian tujuh indikator, yaitu: 1) pemilihan sistem hidroponik terpilih untuk budidaya tanaman purwoceng di greenhouse dataran tinggi dan plant factory, 2) perancangan sistem kendali lingkungan untuk greenhouse dataran rendah, 3) model dan optimasi pertumbuhan tanaman purwoceng di greenhouse dataran tinggi, 4) model dan optimasi pertumbuhan tanaman purwoceng di plant factory, 5) perancangan sistem monitoring lingkungan terkendali yang membudidayakan tanaman purwoceng, 6) perancangan UI/UX dan 7) perancangan prototype teknologi monitoring perancangan prototype teknologi monitoring yang siap dikembangkan menjadi sistem kendali di tahun kedua pelaksanaan program. Riset pada tahun kedua diarahkan pada pengembangan sistem kontrol cerdas untuk budidaya tanaman purwoceng di greenhouse dataran rendah dan plant factory, model dan optimasi pertumbuhan tanaman di greenhouse dataran rendah dan plant factory, evaluasi dan penyempurnaan prototype sistem kontrol cerdas agar sesuai kebutuhan pengguna. Pemilihan sistem hidroponik untuk budidaya tanaman purwoceng di greenhouse dataran tinggi dan plant factory dilakukan meliputi dua perlakuan dan tiga ulangan. Bibit tanaman purwoceng diperoleh dari dataran tinggi Dieng. Budidaya tanaman purwoceng dilakukan pada sistem hidroponik drip dan Nutrient Film Technique (NFT) di dalam greenhouse dan plant factory. Pengambilan data kondisi lingkungan pertumbuhan tanaman dilakukan setiap tiga hari. Pengukuran parameter tanaman yang juga dilakukan setiap tiga hari adalah untuk mendapatkan gambaran pertumbuhan tanaman. Pengukuran bobot tanaman dilakukan pada saat panen. Analisis kandungan bahan aktif pada daun dan akar tanaman purwoceng serta analisis keamanan pangan dilakukan terhadap tanaman contoh. Walaupun greenhouse dataran rendah tempat riset tahun kedua sudah dilengkapi dengan evaporative cooling system tetapi suhu udara di dalamnya masih cukup tinggi. Oleh karena itu, dilakukan modifikasi terhadap evaporative cooling system agar suhu udara di dalamnya masih berada dalam selang suhu optimal bagi pertumbuhan tanaman iii purwoceng, yaitu berdasarkan hasil Computational Fluid Dynamic (CFD) dan thermal model berdasarkan persamaan pindah panas. Selanjutnya, perancangan sistem monitoring dilakukan dalam empat tahapan, yaitu perancangan dan pembuatan paket teknologi monitoring perancangan dan pembuatan sistem informasi, integrasi dan pengujian sistem monitoring dan evaluasi penggunaan sistem monitoring. Hasil pelaksanaan riset pada tahun pertama menunjukkan bahwa sistem hidroponik drip non sirkulasi dengan EC larutan nutrisi 1500 ppm memberikan pertumbuhan terbaik pada tanaman purwoceng yang dibudidayakan di greenhouse dataran tinggi, dengan bobot basah tanaman sebesar 211,81 gram, bobot basah tajuk 85,88 gram, bobot kering tajuk 10,64 gram bobot kering akar 7,31 gram, kadar fenolik 0,478 % pada daun dan 0,159% pada akar. Kadar flavonoid tertinggi juga ditemukan pada perlakuan EC1500 ppm pada tipe hidroponik drip non resirkulasi. Sistem irigasi ini juga menghasilkan kandungan kloroform yang lebih rendah di bawah batas acuan BPOM, dimana nilai ALT pada daun hanya mencapai 1,2 x 102 koloni/gram pada akar 5 x 107 koloni/gram pada akar (acuan BPOM 5 x 107 koloni/gram), sehingga tetap aman untuk dikonsumsi. Kadar steroid daun tanaman purwoceng hasil budidaya yang dilakukan dalam riset ini ternyata kurang lebih dua kali lipat dibandingkan kadar steroid daun purwoceng yang diperoleh dari pasar. Daun dan akar tanaman purwoceng hasil budidaya pada sistem ini memiliki kandungan antioksidan hingga 49.268 mg asam askorbat/L ekstrak, namun kurang berpotensi sebagai antibakteri. Berdasarkan pola kromatografi lapis tipis diketahui bahwa pola senyawa tiap individu tanaman per perlakuan beragam. Hal ini diperkirakan ada kaitannya dengan keragaman potensi genetik bibit tanaman yang berasal dari kebun milik petani. Budidaya tanaman purwoceng di plant factory dengan periode pencahayaan 14 jam dan 16 jam dengan EC larutan nutrisi 1000 ppm dan 1500 ppm menampilkan pertumbuhan luas daun dan tingkat kehijauan daun yang cukup tinggi,yaitu memiliki nilai R2 0,9 dan MAPE 3,6 %, terindikasi positif mengandung bahan aktif steroid dan aman dikonsumsi. Modifikasi evaporative cooling system yang dilakukan dengan menambahkan water chiller berhasil menjaga suhu udara di dalam greenhouse dataran rendah pada ratarata 27 oC yaitu lebih rendah dari suhu udara di luar greenhouse. Hal ini dapat dicapai pada tengah hari ketika cuaca cerah, air yang diteteskan ke cooling pad didinginkan lebih dahulu menggunakan chiller sampai suhunya mencapai sekitar 13 oC. Pemodelan pertumbuhan tanaman purwoceng menggunakan Artificial Neural Network (ANN) di greenhouse dataran tinggi dan plant factory berhasil dilakukan dengan nilai R2 sebesar 0,983 dan MAPE 3,6% untuk greenhouse dataran tinggi serta dengan nilai R2 0,9633 dan MAPE 4,1% untuk plant factory. Hasil analisa optimasi dengan Genetic Algorithm (GA) memberi gambaran pertumbuhan optimal pada perlakuan EC larutan nutrisi 1500 ppm dan lama pencahayaan 14 jam di plant factory. Dalam rangka perancangan sistem control cerdas, pada tahun pertama telah dibuat sistem monitoring berbasis LoRa ESP32 yang meliputi kelompok node pada tanaman serta gateway pada ruang tanam dan server. Parameter lingkungan pertumbuhan tanaman di plant factory telah dapat dipantau secara realtime dari jarak jauh menggunakan aplikasi interface berbasis web dan android. Dari segi fungsional, sistem monitoring yang dikembangkan telah diujicobakan untuk digunakan oleh pengguna dan mencapai tingkat kepuasan > 80%, sehingga dapat ditetapkan untuk menjadi prototype yang siap iv disempurnakan. Hal menarik yang telah ditemukan dari pelaksanaan riset pada tahun pertama adalah bahwa kandungan bahan aktif stigmasterol pada contoh tanaman purwoceng yang dibudidayakan di plant factory ternyata lebih tinggi dibandingkan kandungan bahan aktif sejenis pada tanaman purwoceng yang diperoleh dari pasaran. Selanjutnya pada tahun kedua perlu dilakukan percobaan budidaya tanaman purwoceng di greenhouse dataran rendah dan pengembangan sistem kontrol cerdas berbasis IoT berdasarkan hasil pengembangan sistem monitoring yang telah dilakukan pada tahun pertama. Sejumlah node sensor akan ditempatkan pada media tanam, sehingga data parameter iklim mikro pada media tanam akan dikumpulkan dan dimodelkan menggunakan Jaringan Syaraf Tiruan (JST). Hasil pemodelan digunakan sebagai referensi pemberian pengendalian terhadap pengaturan irigasi. Benih untuk budidaya tanaman purwoceng di greenhouse dataran rendah perlu diupayakan berasal dari sumber yang lebih seragam yaitu dari tanaman yang sekarang sedang dibudidayakan di plant factory. Diharapkan bahwa produktivitas dan mutu tanaman purwoceng yang dibudidayakan di dalam sistem hidroponik di greenhouse dataran rendah yang lingkungan pertumbuhan tanamannya dikendalikan menggunakan sistem kontrol cerdas ini akan lebih baik dibandingkan di lahan terbuka. Selanjutnya, penggunaan sistem kontrol cerdas hasil riset ini secara luas diharapkan dapat meningkatkan kemampuan bangsa dalam menguasai teknologi dalam era Fourth Industrial Revolution untuk meningkatkan ketersediaan purwoceng sebagai bahan baku industri jamu, sekaligus ikut berperan mengurangi impor bahan baku industri jamu.