Metrologi dalam Teknologi: Kecil, Pintar, Tukang Ukur (Smartwach) bagian 1

 480x dilihat

Kecil, pintar, tukang ukur. Kira-kira apa yang kalian pikirkan pertama kali jika mendengar kata-kata tersebut? Mungkin ada yang memikirkan seorang penera, juru timbang, atau bahkan tukang ukur tanah. Mereka memang tukang ukur, mereka pintar, tapi mereka tidak kecil. Ini adalah sebuah benda canggih. Benda kecil yang dimaksud adalah Smartwatch atau jam tangan pintar.

Tabel 1. Pengukuran pada smartwatch.

Pada zaman dahulu, sebuah jam hanya berfungsi sebagai alat untuk menunjukkan waktu. Namun seiring dengan perkembangan zaman, sebuah jam tangan mempunyai banyak fungsi lainnya, antara lain dapat mengukur detak jantung, posisi seseorang, jarak dan kecepatan dari sebuah aktivitas, jumlah langkah,ketinggian suatu tempat, kadar oksigen, hingga tingkat stress seseorang. Hal ini menandakan ilmu tentang pengukuran juga semakin berkembang. Pengukuran bukan lagi hanya sekedar menimbang atau menakar. Metrologi merupakan ilmu ukur-mengukur secara luas. Suatu pengukuran meliputi objek yang diukur, alat ukur, satuan ukuran, serta metode yang digunakan dalam pengukuran. Beberapa dari kita mungkin masih menganggap pengukuran hanya dilakukan terhadap objek yang secara jelas terlihat maupun bisa dirasakan seperti pengukuran massa suatu benda, volume suatu cairan, dan panjang suatu benda. Objek pengukuran juga dapat berupa sesuatu yang abstrak dan kompleks seperti tingkat kesehatan/kebugaran seseorang, tingkat stress, dan lainnya. Alat ukur juga tidak hanya sebatas timbangan, takaran, maupun meteran. Seiring dengan perkembangan zaman alat ukur yang ada semakin variatif, sensor yang digunakan juga bermacam-macam. Pengukuran pada smartwatch menggunakan beberapa jenis sensor. Semakin banyak sensor yang digunakan maka semakin mahal harga suatu smartwatch, semakin lengkap pula fitur pengukuran yang tersedia. Dari tabel 1 diatas, sistem kerja dari beberapa jenis pengukuran yang dapat dilakukan oleh smartwatch, antara lain:

Pengukuran Jumlah Langkah

Salah satu fitur basic dari smartwatch adalah pendeteksi gerak atau aktivitas tubuh. Sensor yang digunakan pada fitur ini adalah accelerometer. Sensor accelerometer mampu mendeteksi gerakan, gravitasi, arah gerakan tubuh, hingga perubahan kecepatan pada saat melakukan olahraga. Sensor accelerometer dapat menghitung jumlah langkah dan jarak yang ditempuh dalam olahraga. Pada dasarnya accelerometer menggunakan 3 axis untuk menghitung jumlah langkah. Dalam beberapa merk/brand digunakan tambahan sensor gyroscope untuk memperoleh hasil pengukuran yang akurat.

Gambar 2. 3 Axis pada accelerometer.
(Sumber: https://www.vertexknowledge.com/post/how-does-a-smart-watch-count-steps-tech-knowledge)

Perbedaan nilai akselerasi berdasarkan parameter yang relevan, baik ketika berjalan maupun berlari. Tiga komponen gerak yang ada antara lain forward (roll), vertical (yaw), dan side (pitch) seperti pada Gambar 2. Sensor merasakan percepatan di sepanjang 3 sumbu yaitu pada sumbu x, y dan z. Gambar dibawah menggambarkan contoh satu siklus dalam aktivitas berjalan, yang menunjukkan hubungan antara setiap tahap siklus berjalan dan perubahan akselerasi vertikal dan maju.

Gambar 3. Siklus perubahan kecepatan pada sumbu forward dan vertical pada saat berjalan.
(Sumber: https://www.vertexknowledge.com/post/how-does- a-smart-watch-count-steps-tech-knowledge)

Dari Gambar 3 diatas, menunjukkan setidaknya satu sumbu akan memiliki perubahan akselerasi periodik yang relatif besar. Jadi deteksi puncak dan algoritme penentuan ambang batas dinamis untuk akselerasi pada ketiga sumbu sangat penting untuk mendeteksi satu siklus berjalan atau berlari. Gambar 4 salah satu contoh dari hasil pengukuran percepatan pada ketiga sumbu pada saat berlari.

Gambar 4. Contoh data pengukuran percepatan pada ketiga sumbu x, y, z pada aktivitas lari.
(Sumber: https://www.vertexknowledge.com/post/how-does- a-smart-watch-count-steps-tech-knowledge)

Satu langkah didefinisikan terjadi jika ada kemiringan negative dari plot percepatan (sampel baru < sampel lama) ketika kurva percepatan melintas di bawah ambang batas dinamis. Steps counter menghitung langkah dari sumbu x, y dan z bergantung pada percepatan sumbu mana yang terbesar. Jika perubahan akselerasi terlalu kecil, steps counter tidak akan menghitungnya sebagai langkah.

Pada smartwatch pengukuran jumlah langkah akan ditampilkan pada saat kita melakukan aktivitas menggunakan smartwatch. Pada aktivitas berlari salah satu hal yang cukup penting untuk diukur adalah cadence atau jumlah langkah yang dilakukan dalam waktu satu menit (spm). Pada kecepatan tertentu, irama langkah yang lebih cepat dan panjang langkah yang lebih pendek menghasilkan kekuatan yang lebih kecil di banyak tempat di seluruh tubuh, seperti di pergelangan kaki, lutut, dan pinggul. Berkurangnya kekuatan ini secara luas diyakini oleh para ahli untuk juga mengurangi risiko cedera.

Pengukuran Detak Jantung

Pengukuran detak jantung dilakukan dengan mengukur gelombang pulsa yang merupakan perubahan volume pembuluh darah yang terjadi ketika jantung memompa darah. Sensor yang digunakan memantau perubahan volume ini disebut sensor pulsa. Pada smartwatch sensor pulsa yang digunakan adalah metode photoelectric menggunakan optical sensor.

Sensor optic untuk mengukur detak jantung (Heart Rate) pada smartwatch merupakan sensor pulsa dengan tipe refleksi, dimana sensor ini memancarkan cahaya inframerah, berwarna merah atau hijau (~550nm) ke arah tubuh dan mengukur jumlah cahaya yang dipantulkan menggunakan fotodioda atau fototransistor. Hemoglobin teroksigenasi yang ada dalam darah arteri memiliki karakteristik menyerap cahaya yang datang, sehingga dengan merasakan laju aliran darah (perubahan volume pembuluh darah) yang berubah mengikuti kontraksi jantung dari waktu ke waktu, kita dapat mengukur sinyal gelombang nadi. Gelombang pulsa ini akan dihubungkan ke pengontrol untuk diolah untuk kemudian ditampilkan pada smartwatch dengan satuan beats per minute (bpm).

Pengukuran gelombang pulsa menggunakan cahaya berwarna merah atau inframerah dapat dipengaruhi oleh sinar inframerah yang terkandung dalam sinar matahari apabila digunakan di luar ruangan (outdoor), untuk itu penggunaan cahaya merah pada sensor optic jenis ini disarankan apabila penggunaan di dalam ruangan (indoor). Untuk pengukuran detak jantung (heart rate) yang digunakan di luar ruangan seperti pada smartwatch, menggunakan sumber cahaya hijau yang memiliki tingkat penyerapan hemoglobin yang tinggi dan juga memiliki sifat kerentanan yang lebih rendah terhadap cahaya sekitar. Pengukuran detak jantung pada smartwatch dilakukan secara real-time, grafik pengukuran detak jantung pada smartwatch juga dapat ditampilkan.

Gambar 5. Grafik pengukuran detak jantung pada smartwatch (sumbu x = waktu (menit); y = detak jantung (bpm))

Pada saat berolahraga, pentingnya memantau detak jantung adalah untuk mengetahui kondisi detak jantung selama beraktivitas, agar tetap sehat dan seimbang kinerja dari jantung, dan menghindari aktivitas berlebihan yang berbahaya bagi jantung. Untuk menghitung detak jantung maksimum adalah dengan rumus sebagai berikut:

HRM (Heart Rate Max) = 220 – usia anda

ada 5 zona detak jantung yang berbeda berdasarkan detak jantung maksimum,

  1. Zona 1 (50%-60% dari HRM) Intensitas rendah, baik untuk recovery;
  2. Zona 2 (60%-70% dari HRM) Zona paling baik untuk meningkatkan daya tahan tubuh;
  3. Zona 3 (70%-80% dari HRM) Zona ini efektif untuk memperbaiki sirkulasi darah di jantung dan otot rangka;
  4. Zona 4 (80%-90% dari HRM) Pada intensitas ini, dapat meningkatkan speed endurance dan mampu bertahan terhadap jumlah asam laktat yang tinggi;
  5. Zona 5 (90%-100% dari HRM) Hanya boleh beraktivitas dalam waktu yang singkat dalam zona ini karena dapat membahayakan jantung.

Pada smartwatch juga terdapat zona detak jantung yang dapat ditampilkan dari sebuah aktivitas, berapa waktu kita beraktivitas pada zona detak jantung tertentu. selain itu pada smartwatch juga dapat diatur agar pada saat kita beraktivitas dan mencapai nilai detak jantung tertentu maka smartwatch akan mengirim sinyal berupa getaran, hal ini dapat sebagai pengingat agar tidak melakukan aktivitas yang berlebihan.

Pengukuran Tingkat Saturasi Oksigen

Pada awal kemunculannya smartwartch hanya terdapat sensor pulsa untuk mengukur detak jantung. Mulai tahun 2020, smartwatch dapat digunakan untuk mengukur tingkat saturasi oksigen (SpO2) yang disebut Pulse Oximetry. Saturasi oksigen didefinisikan sebagai pengukuran jumlah oksigen yang terlarut dalam darah. Pengukuran ini dilakukan dengan cara mendeteksi Hemoglobin (HbO2) dan Deoxyhemoglobin (Hb, bentuk hemoglobin tanpa oksigen).

Pada saat pandemic Covid-19, pengukuran tingkat saturasi oksigen sering dilakukan untuk mengetahui kondisi pasien yang terinfeksi virus Covid-19. Pengidap Covid-19 cenderung mengalami tingkat saturasi oksigen yang rendah. Kondisi ini kadang tidak menimbulkan gejala, dan dapat langsung berakibat fatal atau sering disebut Happy Hypoxia.

Prinsip kerja dari Pulse Oxymetry yaitu dua panjang gelombang cahaya yang berbeda (satu merah dan satu inframerah) digunakan untuk mengukur perbedaan sebenarnya dalam spektrum serapan HbO2 dan Hb. Aliran darah dipengaruhi oleh konsentrasi HbO2 dan Hb, dan koefisien penyerapannya diukur menggunakan dua panjang gelombang 660 nm (lampu merah) dan 940 nm (cahaya inframerah). Hemoglobin terdeoksigenasi dan teroksigenasi menyerap panjang gelombang yang berbeda. Hemoglobin terdeoksigenasi (Hb) memiliki penyerapan yang lebih tinggi pada 660 nm dan hemoglobin teroksigenasi (HbO2) memiliki penyerapan yang lebih tinggi pada 940 nm.

Sensor untuk mengukur tingkat saturasi oksigen pada smartwatch terdiri dari beberapa perangkat berikut:

  1. Light Emitting Diode (LED);
  2. Pembawa inert yang menahan lapisan peka cahaya dimana molekul pewarna tertanam dalam matrix polimer dan dilindungi oleh lapisan isolasi optic;
  3. Photodioda dengan filter untuk mengukur cahaya yang dipancarkan.

Pengukuran tingkat saturasi oksigen menggunakan cahaya emisi. Cahaya emisi adalah waktu tunda sehubungan dengan cahaya eksitasi. Pergeseran waktu antara eksitasi dan emisi cahaya tidak tergantung pada intensitas. Ini sebanding dengan tekanan parsial O2 dan bertindak sebagai ukuran konsentrasi O2.

Jika tidak terdapat oksigen dalam waktu tertentu pada proses pengukuran, pewarna menyerap cahaya eksitasi yang dipancarkan oleh LED dan akan ditransfer ke tingkat energi yang lebih tinggi dan lampu mulai memancarkan sekali lagi. Cahaya emisi akan tertunda dan memiliki panjang gelombang yang berbeda juga. Filter (sebutkan dalam daftar daftar komponen yang ditunjukkan pada gambar di atas) di depan fotodioda memastikan bahwa hanya cahaya yang dipancarkan yang terdeteksi.

Jika terdapat oksigen dalam waktu tertentu pada saat proses pengukuran, pewarna menyerap cahaya eksitasi yang dipancarkan oleh LED, tetapi dalam keadaan tereksitasi energi diambil alih oleh molekul oksigen. Pewarna sekarang memiliki lebih sedikit energi yang tersisa untuk dipancarkan. Semakin banyak oksigen, semakin sedikit cahaya yang dipancarkan ke fotodioda melalui filter. Kadar oksigen atau tingkat saturasi oksigen dalam darah pada smartwatch ditampilkan dalam persen (%).

Pengukuran Posisi dan Jarak

Pada saat melakukan aktivitas diluar ruangan (outdoor) penentuan posisi atau lokasi menjadi salah satu hal yang penting. Untuk menentukan lokasi dan jarak pada smartwatch menggunakan Global Positioning System (GPS).

Global Positioning System (GPS) adalah sebuah sistem navigasi radio berbasis satelit yang mengirim sinyal informasi dalam bentuk gelombang mikro. Setidaknya terdapat 24 buah satelit yang mengelilingi permukaan bumi. Setiap satelit akan mengorbit selama 12 jam dan memancarkan gelombang sinyal atau gelombang radio ke permukaan bumi. Pada perangkat smartwatch terpasang receiver atau penerima gelombang radio dari satelit. Informasi yang diterima antara lain lintang geografis, bujur geografis dan ketinggian dari satelit GPS. Data tersebut diperoleh dari hasil perhitungan jeda waktu antara gelombang yang dipancarkan satelit GPS dan sinyal yang diterima receiver yang terdapat pada smartwatch. Untuk menentukan suatu lokasi setidaknya receiver harus menerima tiga sinyal yang berbeda dari tiga satelit GPS terdekat.

Sebagai ilustrasi Satelit GPS dapat diibaratkan sebuah senter raksasa yang sedang memancarkan cahaya ke arah receiver pada smartwatch yang ada di permukaan bumi. Dari pancaran cahaya tersebut maka akan terbentuk lingkaran cahaya (imaginer) pada permukaan bumi, dimana satelit tersebut berada di pusat lingkaran dan receiver GPS berada pada titik persinggungan dari ketiga cahaya (imajiner) yang dipancarkan oleh ketiga satelit GPS tersebut. Terdapat 2 metode untuk menentukan posisi atau jarak yaitu metode Triangulasi dan metode Trilaterasi. Metode Triangulasi yaitu berdasarkan sudut yang dibentuk dari oleh ketiga satelit GPS terdekat. Sedangkan metode Trilaterasi yaitu berdasarkan jarak ketiga satelit GPS ke receiver. Posisi yang diperoleh kemudian akan ditampilkan pada perangkat smartwatch. Proses ini berlangsung secara real-time, sehingga kita dapat melihat posisi kita setiap saat.

Gambar 6. Ilustrasi metode Triangulasi pada penentuan posisi di permukaan bumi
(Sumber: nationalgeographic.org) jantung (bpm))
Gambar 7. Ilustrasi metode Trilaterasi pada penentuan posisi di permukaan bumi (Sumber: gisgeography.org)

Satelit GPS dilengkapi dengan jam atom, yang memastikan stabilitas waktu hingga kurang dari sepersejuta detik. Dengan mengintegrasikan kecepatan yang diturunkan dari Doppler dengan tingkat keandalan sinyal waktu ini, pengukuran jarak yang akurat dapat dicapai. Selain itu dari hasil pengukuran posisi dan jarak menggunakan GPS dapat diketahui juga bentuk track atau rute yang ditempuh saat melakukan sebuah aktivitas. (Bersambung ke bagian 2)