SimpLED, Pencahayaan Cerdas dan Sederhana

SimpLED, Pencahayaan Cerdas dan Sederhana Alvin Nurhadi Wijaya1,a, Aji Setyawan2,b dan Steve3,c 1,2

Teknik Fisika, Institut Teknologi Bandung, Bandung. aEmail: [email protected], b Email: [email protected], cEmail: [email protected]

Pencahayaan merupakan salah satu aspek yang kian hari kian menjadi perhatian dalam perancangan ruang. Penggunaan LED sebagai lampu dalam pencahayaan dalam ruangan merupakan salah satu pilihan yang sering digunakan karena penggunaan energi yang hemat. Selain itu LED saat ini sudah berkembang, bukan hanya untuk keperluan penghematan energi, namun juga untuk keperluan artificial lighting. Saat ini diperlukan kontrol LED yang dapat mengakomodasi berbagai keperluan serta mudah digunakan dengan aplikasi smartphone. Desain rancangan ini menggunakan board pengontrol ITEAduino BT sehingga memungkinkan komunikasi bluetooth dengan smartphone. Pengontrolan warna dan tingkat kecerahan LED dilakukan dengan memberikan nilai PWM dengan metode shift register. Penggunaan shift register memungkinkan pengendalian LED dengan cepat dan mudah. Selain itu shift register dapat mengakomodasi pengontrolan dengan jumlah LED yang lebih banyak. Aplikasi Android dirancang untuk melakukan komunikasi bluetooth dengan pengontrol dan modul LED. Desain dapat melakukan perintah ON/OFF untuk setiap LED maupun keseluruhan LED. Selain itu terdapat menu untuk memilih warna lampu yang disertai dengan pemilihan input parameter Red, Green, Blue, dan pengaturan brightness. Untuk mengakomodasi pencahayaan sesuai ritme tubuh manusia, maka disertakan pula menu untuk mengatur warna lampu sesuai dengan kenyamanan visual manusia seiring waktu dalam satu hari. Terdapat fitur mood schemes untuk membuat LED menyala sesuai dengan mood psikologis pada pilihan yang tersedia. Mood schemes juga dapat ditambahkan oleh pengguna sesuai keinginan melalui fitur My Mood. Kata kunci—LED, Android, Shift Register, PWM, Bluetooth

menghadirkan solusi terjangkau tanpa mengurangi fungsi I. PENDAHULUAN

utama. Sistem ini mengandalkan arduino sebagai control unit

Bidang pencahayaan buatan kembali disegarkan dengan

yang menjembatani light modules dan perangkat android.

kehadiran LED. LED memungkinkan kita untuk menciptakan

Demi menghindari keruwetan, komunikasi antar android dan

berbagai macam suasana dengan konsumsi daya yang rendah.

control unit dilakukan secara nirkabel melalui Bluetooth.

Hal ini membuka banyak peluang untuk mengatur cahaya

Hasilnya adalah sistem dengan fitur kontrol sebagai berikut :

keluaran, sesuai dengan aspek-aspek seperti penghematan

1. Keluaran cahaya dapat dikontrol dari perangkat android

energi, keamanan, ataupun psikologis manusia. Birren [1]

secara nirkabel.

menemukan bahwa warna dan iluminansi memiliki pengaruh

2. Setiap light module dapat dikontrol secara individual,

psikologis terhadap manusia, hewan, bahkan tumbuhan.

berdasarkan intensitas untuk tiap color channel (RGB).

Parameter sepeti colour temperature, tint, dan intensitas

3. Warna cahaya dan intensitas dapat berubah secara otomatis

sangat mempengaruhi impresi keseluruhan. Namun, sumber

sesuai dengan preset yang dipilih.

cahaya ini (LED) tidak mampu memproduksi keluaran yang

4. Keadaan LED (on/off) dapat dijadwalkan.

dinamis tanpa bantuan dari perangkat lain.

5. Control unit dapat mempertahankan kondisi terakhir, sehingga putusnya koneksi bluetooth tidak mempengaruhi

Untuk mendukung pengembangan lebih lanjut, dikembangkan

keluaran cahaya.

sistem kontrol khusus untuk aplikasi pencahayaan. Agar sejalan dengan perkembangan teknologi, serangkaian alat pencahayaan ini harus dapat dikontrol dari perangkat mobile

II. DESAIN SISTEM

seperti perangkat Android. Beberapa perusahaan seperti

Pada sistem yang akan dirancang, terdapat tiga buah modul

Philips

dengan

LED yang akan dikendalikan menggunakan mikrokontroler.

mengandalkan protokol komunikasi Zigbee dan Wifi. Alih-

Satu modul LED terdiri dari LED RGB dan LED white.

alih menggunakan sistem serupa, dikembangkan sistem yang

Adapun parameter yang dapat dikendalikan adalah kondisi

berfokus

nyala LED (menyala atau tidak), warna LED (nilai RGB), dan

telah

mengembangkan

pada

sistem

kesederhanaan.

sejenis

Tujuannya

adalah

tingkat kecerahan (nilai W pada LED white). Untuk

kesederhanaan sistem komunikasi, informasi brightness juga

mengendalikan ketiga buah LED tersebut dibuat juga sebuah

mengadaptasi rentang nilai (00) hingga 255 (FF). Melihat

antarmuka pengguna berupa aplikasi berbasiskan Android

keterbatasan pin dan rentang nilai yang dapat ditangani oleh

yang dapat digunakan untuk mengirimkan perintah kendali

mikrokontroler, terdapat beberapa alternatif desain yang bisa

LED lewat komunikasi bluetooth dengan mikrokontroler.

digunakan untuk mengendalikan ketiga modul LED tersebut. 

Gambar 1. merupakan diagram umum cara kerja sistem yang dirancang.

Menggunakan empat buah pin analog, empat buah pin digital PWM, dan juga empat buah pin digital normal. Kelemahan dari alternatif desain ini adalah

Android App

ketidakseragaman tingkat repon dari pin digital PWM

Mikrokontroler

jika dibandingkan dengan metode soft-PWM pada

Bluetooth Communication

port analog dan port normal digital. Shift Register



Menggunakan perangkat shift register 74HC595, keperluan pin yang dibutuhkan untuk mengendalikan

LED Module

satu modul LED berkurang. Informasi nilai RGB dan

Gambar 1. Skema Umum Desain Sistem

W (brightness) akan dikirim menggunakan satu buah pin secara bergantian dengan cepat. Menggunakan

Untuk mengontrol warna LED diperlukan pengaturan nilai

alternatif ini, jumlah pin yang digunakan untuk

RGB. Untuk mengatur setiap nilai parameternya (Red, Green,

mengendalikan satu modul LED berkurang dari

Blue) diperlukan perintah PWM (Pulse Width Modulation).

empat pin menjadi tiga pin yaitu pin clock, latch, dan

Prinsipnya, semakin besar nilai PWM maka waktu aktif lampu

satu pin data yang berisi informasi PWM untuk R, G,

pada satu siklus lebih besar dari waktu mati lampu, sehingga

B, dan W. Ketika digunakan tiga modul LED, maka

LED akan bersinar lebih terang. Sebagai contoh untuk

kebutuhan 12 pin berkurang menjadi 5 yaitu pin

menghasilkan warna kuning maka nilai PWM yang diberikan

clock, latch, data LED pertama, data LED kedua, dan

pada parameter Red dan Green harus dibuat tinggi sedangkan

data LED ketiga.

parameter warna Blue dibuat rendah. Untuk mengatur PWM tersebut digunakan mikrokontroler ITEAduino BT yang sudah

Pada tahapan perancangan berikutnya, digunakan alternatif

memiliki antarmuka bluetooth sehingga dapat dilakukan

kedua karena pin yang digunakan jauh lebih sedikit. Diagram

komunikasi nirkabel. Pada dasarnya kondisi LED mati sama

blok dari rancangan tersebut dapat dilihat pada Appendix B.

dengan kondisi tingkat kecerahan LED minimum atau 0.

Desain menggunakan tiga buah pin analog mikrokontroler,

Dengan demikian, hanya dibutuhkan empat buah parameter

masing-masing mengendalikan satu modul LED menggunakan

untuk mengendalikan suatu LED yaitu nilai RGB (Red, Green,

metode soft-PWM untuk mengirimkan nilai dengan rentang 0-

Blue) dan nilai W (brightness). Setiap nilai dari keempat buah

255.

parameter tersebut dikirimkan dari mikrokontroler menuju

Shift register 74HC595 memiliki 8 pin output seperti yang

modul LED menggunakan satu pin. Sehingga untuk mengatur

dapat dilihat pada Gambar 2. Pada skema tersebut, dapat

satu buah LED idealnya akan dibutuhkan empat buah pin.

dilihat satu buah shift register mengakomodasi satu buah LED

Untuk

pin

RGB dan satu buah LED white, namun apabila dilihat dari

mikrokontroler yang dibutuhkan adalah 12. Informasi yang

jumlah pin outputnya, satu buah shift register mampu

dapat dimiliki oleh nilai RGB untuk warna 8 bit adalah

mengakomodasi secara penuh dua buah LED RGB dan dua

mengatur

tiga

buah

modul

LED,

total

rentang nilai dari 0 (00) hingga 255 (FF). Untuk menjaga

buah LED white. Pada rancangan ini digunakan dua buah shift register 74HC595 sehingga sistem dengan optimal dapat

Untuk dapat berkomunikasi dengan aplikasi pengendali pada

mengakomodasi empat buah modul LED (lebih 1 LED dari

smartphone Android, ITEAduino BT menggunakan metode

perancangan awal). Pada setiap shift register terdapat tiga pin

komunikasi

yang dihubungkan dengan mikrokontroler yaitu pin serial utuk

mikrokontroler-nya,

input data, pin shift register clock sebagai clock, dan pin

menerapkan metode yang sama dengan komunikasi serial

register clock sebagai latch.

menggunakan USB

Untuk

dapat

serial

sehingga

dalam

pemrograman

segala komunikasi bluetooth

bertukar

informasi

antarperangkat

dapat

LED,

mikrokontroler, dan juga Android, dibuatlah suatu format data dan aturan dalam mengolahnya atau biasa disebut sebagai protokol komunikasi. Protokol komunikasi pada sistem ini pada intinya mengatur dua kegiatan utama yaitu memberikan informasi RGB dan brightness menuju LED, dan juga meminta informasi RGB dan brightness dari suatu LED.

Protokol komunikasi yang dibuat mengatur komunikasi antara LED sebagai Light Modul (LM) dan mikrokontroler sebagai Control System (CS). Informasi RGB dan brightness ini akan Gambar 2. Skema rangkaian modul LED

disimpan di dalam memori mikrokontroler. Komunikasi antara mikrokontroler sebagai Control System (CS) dan aplikasi

Secara umum pin data mikrokontroler akan mengirimkan nilai

Android sebagai Control Application (CA) juga menggunakan

biner PWM kepada shift register. Pada saat yang sama clock

protokol komunikasi yang sama, dengan informasi RGB dan

dijalankan sesuai bit yang tersedia. Seiring berjalannya clock

brightness hasil komunikasi disimpan didalam memori

nilai data akan masuk dan bergeser ke lokasi bit selanjutnya,

Control Application (CA) serta Control System (CS). Skema

hingga bit yang tersedia terisi penuh (shift register 74HC595

komunikasi pairing antara Contol Application (CA) dan

bekerja dalam batas 8 bit). Ketika bit pada shift register telah

Control System (CS) dapat dilihat pada Gambar 3.

penuh maka data diteruskan menuju latch untuk menyalakan lampu LED sesuai dengan PWM yang diminta. Latch akan ter-refresh kembali dengan data PWM baru apabila pengisian data pada clock telah selesai. Pada perancangan ini bluetooth digunakan sebagai media komunikasi

mikrokontroler

dengan aplikasi

pengendali

berbasis Android. Agar perangkat smartphone Android dapat berkomunikasi dengan ITEAduino BT, dibutuhkan prosedur pairing seperti komunikasi perangat bluetooth pada umumnya. ITEAduino memiliki kelebihan untuk mengkonfigurasi nama perangkat bluetooth dan pin pairing menggunakan AT Command pada layar komunikasi serial ITEAduino BT.

Perintah untuk mengubah warna modul LED dilakukan dengan menggunakan menu pada aplikasi Android. Pemilihan warna pada aplikasi Android digunakan untuk mengirimkan nilai setiap parameter R, G, B, dan W ke mikrokontroler. Apabila nilai parameter warna yang dipilih sama dengan nilai sebelumnya maka perintah tidak dikirim. Sedangkan apabila nilai parameter warna yang dipilih tidak sama dengan nilai sebelumnya, maka perintah akan dikirim, sehingga nilai lama digantikan dengan nilai yang baru. Skema perintah untuk mengubah warna dapat dilihat seperti pada Gambar 4.

Gambar 3. Flowchart Komunikasi Bluetooth Control Application dan Control System

Format data untuk meminta informasi RGB dan brightness: ? Format data untuk memberi informasi set RGB dan brightness: = Color disini adalah parameter yang digunakan dalam suatu LED, yaitu nilai RGB dan brightness. Kode color yang dapat digunakan adalah R untuk Red, G untuk Green, B untuk Blue, dan W untuk brightness. Channel merupakan identitas LED

Gambar 4. Flowchart Pengiriman Perintah Warna

yang akan dikendalikan. Pada sistem yang dirancang terdapat tiga buah LED sehingga channel yang digunakan adalah 0

Pada rancangan ini aplikasi pengontrolan LED dibuat

hingga 2. Value pada format data pemberi informasi berisi

menggunakan Android Software Development Kit (SDK),

nilai integer antara 0 hingga 255, rentang nilai yang juga

menggunakan bahasa pemrograman berbasis Java. Library

digunakan sebagai return value dari format data untuk

utama yang digunakan adalah bluetooth communication dan

meminta informasi.

data storage. Library bluetooth communication digunakan untuk

melakukan

komunikasi

dengan

mikrokontroler,

Sebagai contoh untuk meminta informasi intensitas warna

sedangkan library data storage digunakan untuk menyimpan

merah pada LED pertama, maka format data yang dikirim oleh

informasi mood template (isinya adalah parameter RGB dan

Android menuju ITEAduino BT adalah: R0? . Sedangkan

brightness). Aplikasi ini memiliki tiga kelas utama dengan

untuk mengatur tingkat brightness dari LED ke 3 sebesar 80%

fungsinya masing-masing sebagai berikut:

maka format datanya adalah W2=240.



LED Controller, berfungsi untuk menampilkan

komponen-komponen dalam aplikasi seperti button,

Pengguna dapat memati-nyalakan light module dengan

colorwheel, label, dsb. Kelas ini juga berisi aturan

menekan bola lampu

aksi yang dapat dilakukan oleh komponen-komponen ini seperti merubah nilai RGB dan brightness, mengirim nilai tersebut menuju mikrokontroler, serta meminta nilainya dari mikrokontroler. 

Bluetooth

Service,

berisi

definisi

protokol

komunikasi serta fungsi yang digunakan untuk mengolah

data

hasil

komunikasi

dengan

mikrokontroler. Kelas ini berjalan sebagai sebuah thread, sehingga proses komunikasi dapat berjalan paralel dengan proses yang menampilkan aplikasi pengendali pada layar. Penggunaan thread ini akan membuat pengendalian LED menjadi lebih responsif. 

Device List, berisi fungsi yang mampu mendeteksi perangkat-perangkat

bluetooh

di

sekitar,

dan Gambar 1. Simulasi Screenshot-Light Module Off

melakukan fungsi pairing.

2) Warna keluaran dan kecerahan light module III. FUNGSI dan ANTARMUKA

Pada tab COLOUR, pengguna dapat dengan mudah memilih

Control application digunakan sebagai antarmuka untuk mengubah nyala lampu sesuai keinginan pengguna. Aplikasi

warna keluaran LED-RGB dengan melakukan klik pada sebuah titik dalam RGB color wheel.

ini memungkinkan pengguna untuk mengatur sekumpulan light module yang terkoneksi pada sebuah controller. Serangkaian algoritma akan menerjemahkan masukan dari user interface

ke dalam parameter siap kirim. Selain itu,

aplikasi juga mampu membaca keadaan light module secara berkala, agar pengguna dapat mengetahui keadaan terakhir light module (dapat terjadi perbedaan informasi keadaan apabila controller sebelumnya terhubung dengan perangkat android lain ataupun terjadi putus koneksi). Pada aplikasi, setiap light module dapat memiliki pengaturan

tersendiri,

maupun

bersamaan

(broadcast).

Pemilihan light module dapat dilakukan dengan menggeser deret atas yang berisi icon lampu. Nama setiap light module juga dapat diatur sesuai keinginan pengguna. Pada dasarnya, aplikasi mampu melayani beberapa fungsi dasar dan fungsi opsional. Fungsi dasar tersebut meliputi: 1) Saklar light module

Gambar 2. Simulasi Screenshot-Color Wheel Terdapat cara lain untuk mengatur nilai RGB secara manual. Pengguna

dapat mengatur kecerahan setiap color channel

baik melalui slider maupun memasukan nilainya secara langsung.

mekanisme bio-kimia yang berubah dalam waktu 24 jam, ketika tubuh menerima sinyal yang tepat dari lingkungan, terutama cahaya matahar dan tingkat kegelapan [2]. Selain

itu,

terdapat

beberapa

pilihan warna

yang

menyesuaikan dengan mood yang ingin dibangun.

Gambar 3. Simulasi Screenshot-RGB manual Kemudian, kecerahan LED-White juga dapat diatur melalui slider diatas color wheel. Sedangkan fungsi opsional, dapat diakses melalui tab SCHEDULE dan PRESET. Pada SCHEDULE, pengguna dapat menentukan waktu nyala dan mati dari light module. Gambar 5. Simulasi Screenshot-Preset MOOD Fitur yang terakhir adalah MY MOODS. Pengguna dapat menyimpan setelan RGB tertentu yang dirasa sering digunakan, dengan menekan tombol berbentuk bintang di kiri atas. Setelah itu, seluruh mood yang telah disimpan dapat diakses di bagian MY MOODS. Seluruh pengaturan hanya dimungkinkan saat perangkat android terkoneksi dengan controller. Tanda silang atau centang menandakan keadaan koneksi tersebut.

Gambar 4. Simulasi Screenshot-Schedule untuk Semua Light Module Fungsi opsional lainya adalah sekumpulan preset yang berkerja sebagai pengatur nilai RGB dan W secara otomatis, sesuai dengan keperluan tertentu. Preset pertama adalah SUNRISE. Pada mode ini, keluaran light module akan menyesuaikan dengan siklus harian matahari. Hal ini dilakukan untuk menstimulasikan pencahayaan alami demi menjaga circadian clock yang optimal. Circadian clock adalah

DAFTAR PUSTAKA [1] Birren, Faber. 1969. Psychological Implication of Color and Illumination. Color Consultant. New York [2] Rea, M, Figueiro, M.G., Bierman, A and Bullough, J.D. 2010. Circadian light.

Journal

of

Circadian

Rhythms

8:2,

DOI:

http://dx.doi.org/10.1186/1740-3391-8-2

[3] The Psychology of Color. http://www.moosepeterson.com/techtips/color.html diakses pada 9 November 2014

Gambar 6. Simulasi Screenshot-Preset MY MOODS

IV. KESIMPULAN

Desain pengontrolan LED dirancangan menggunakan Android sebagai Control Application dan ITEAduino BT yang dihubungkuan dengan shift register 74HC595 sebagai Control System. Bluetooth digunakan untuk melakukan komunikasi data antara smartphone dan modul LED melalui pengontrol. Desain mengakomodasi empat buah modul. Setiap modul LED terdiri dari LED RGB dan LED white. Desain dirancang sehingga dapat digunakan untuk menghidupkan dan mematikan setiap modul LED maupun seluruh modul LED. Selain itu desain mengizinkan pengguna untuk mengatur warna LED dengan memilih atau mengombinasikan nilai parameter Red, Green, Blue, serta brightness. Terdapat fungsi sunrise mode untuk mengatur warna lampu sesuai dengan jam dan ritme tubuh manusia. Di samping itu desain juga menyediakan fungsi mood schemes untuk mengakomodasi pemilihan warna sesuai dengan psikologi dari warna nyala LED.