SimpLED, Pencahayaan Cerdas dan Sederhana
Alvin Nurhadi Wijaya1,a, Aji Setyawan2,b dan Steve3,c1,2
Teknik Fisika, Institut Teknologi Bandung, Bandung. aEmail: alvin@tf.itb.ac.id, b
Email: mr.ajisetyawan@gmail.com, cEmail: v_steved@hotmail.com
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
I. PENDAHULUAN
Bidang pencahayaan buatan kembali disegarkan dengan kehadiran LED. LED memungkinkan kita untuk menciptakan berbagai macam suasana dengan konsumsi daya yang rendah. Hal ini membuka banyak peluang untuk mengatur cahaya keluaran, sesuai dengan aspek-aspek seperti penghematan energi, keamanan, ataupun psikologis manusia. Birren [1] menemukan bahwa warna dan iluminansi memiliki pengaruh psikologis terhadap manusia, hewan, bahkan tumbuhan. Parameter sepeti colour temperature, tint, dan intensitas sangat mempengaruhi impresi keseluruhan. Namun, sumber cahaya ini (LED) tidak mampu memproduksi keluaran yang dinamis tanpa bantuan dari perangkat lain.
Untuk mendukung pengembangan lebih lanjut, dikembangkan sistem kontrol khusus untuk aplikasi pencahayaan. Agar sejalan dengan perkembangan teknologi, serangkaian alat pencahayaan ini harus dapat dikontrol dari perangkat mobile seperti perangkat Android. Beberapa perusahaan seperti Philips telah mengembangkan sistem sejenis dengan mengandalkan protokol komunikasi Zigbee dan Wifi. Alih-alih menggunakan sistem serupa, dikembangkan sistem yang berfokus pada kesederhanaan. Tujuannya adalah
menghadirkan solusi terjangkau tanpa mengurangi fungsi utama. Sistem ini mengandalkan arduino sebagai control unit yang menjembatani light modules dan perangkat android. Demi menghindari keruwetan, komunikasi antar android dan control unit dilakukan secara nirkabel melalui Bluetooth. Hasilnya adalah sistem dengan fitur kontrol sebagai berikut : 1. Keluaran cahaya dapat dikontrol dari perangkat android secara nirkabel.
2. Setiap light module dapat dikontrol secara individual, berdasarkan intensitas untuk tiap color channel (RGB). 3. Warna cahaya dan intensitas dapat berubah secara otomatis sesuai dengan preset yang dipilih.
4. Keadaan LED (on/off) dapat dijadwalkan.
5. Control unit dapat mempertahankan kondisi terakhir, sehingga putusnya koneksi bluetooth tidak mempengaruhi keluaran cahaya.
II. DESAIN SISTEM
Pada sistem yang akan dirancang, terdapat tiga buah modul LED yang akan dikendalikan menggunakan mikrokontroler. Satu modul LED terdiri dari LED RGB dan LED white. Adapun parameter yang dapat dikendalikan adalah kondisi nyala LED (menyala atau tidak), warna LED (nilai RGB), dan
tingkat kecerahan (nilai W pada LED white). Untuk mengendalikan ketiga buah LED tersebut dibuat juga sebuah antarmuka pengguna berupa aplikasi berbasiskan Android yang dapat digunakan untuk mengirimkan perintah kendali LED lewat komunikasi bluetooth dengan mikrokontroler.
Gambar 1. merupakan diagram umum cara kerja sistem yang dirancang.
Gambar 1. Skema Umum Desain Sistem
Untuk mengontrol warna LED diperlukan pengaturan nilai RGB. Untuk mengatur setiap nilai parameternya (Red, Green, Blue) diperlukan perintah PWM (Pulse Width Modulation). Prinsipnya, semakin besar nilai PWM maka waktu aktif lampu pada satu siklus lebih besar dari waktu mati lampu, sehingga LED akan bersinar lebih terang. Sebagai contoh untuk menghasilkan warna kuning maka nilai PWM yang diberikan pada parameter Red dan Green harus dibuat tinggi sedangkan parameter warna Blue dibuat rendah. Untuk mengatur PWM tersebut digunakan mikrokontroler ITEAduino BT yang sudah memiliki antarmuka bluetooth sehingga dapat dilakukan komunikasi nirkabel. Pada dasarnya kondisi LED mati sama dengan kondisi tingkat kecerahan LED minimum atau 0. Dengan demikian, hanya dibutuhkan empat buah parameter untuk mengendalikan suatu LED yaitu nilai RGB (Red, Green, Blue) dan nilai W (brightness). Setiap nilai dari keempat buah parameter tersebut dikirimkan dari mikrokontroler menuju modul LED menggunakan satu pin. Sehingga untuk mengatur satu buah LED idealnya akan dibutuhkan empat buah pin. Untuk mengatur tiga buah modul LED, total pin mikrokontroler yang dibutuhkan adalah 12. Informasi yang dapat dimiliki oleh nilai RGB untuk warna 8 bit adalah rentang nilai dari 0 (00) hingga 255 (FF). Untuk menjaga
kesederhanaan sistem komunikasi, informasi brightness juga mengadaptasi rentang nilai (00) hingga 255 (FF). Melihat keterbatasan pin dan rentang nilai yang dapat ditangani oleh mikrokontroler, terdapat beberapa alternatif desain yang bisa digunakan untuk mengendalikan ketiga modul LED tersebut.
Menggunakan empat buah pin analog, empat buah pin digital PWM, dan juga empat buah pin digital normal. Kelemahan dari alternatif desain ini adalah ketidakseragaman tingkat repon dari pin digital PWM jika dibandingkan dengan metode soft-PWM pada port analog dan port normal digital.
Menggunakan perangkat shift register 74HC595, keperluan pin yang dibutuhkan untuk mengendalikan satu modul LED berkurang. Informasi nilai RGB dan W (brightness) akan dikirim menggunakan satu buah pin secara bergantian dengan cepat. Menggunakan alternatif ini, jumlah pin yang digunakan untuk mengendalikan satu modul LED berkurang dari empat pin menjadi tiga pin yaitu pin clock, latch, dan satu pin data yang berisi informasi PWM untuk R, G, B, dan W. Ketika digunakan tiga modul LED, maka kebutuhan 12 pin berkurang menjadi 5 yaitu pin clock, latch, data LED pertama, data LED kedua, dan data LED ketiga.
Pada tahapan perancangan berikutnya, digunakan alternatif kedua karena pin yang digunakan jauh lebih sedikit. Diagram blok dari rancangan tersebut dapat dilihat pada Appendix B. Desain menggunakan tiga buah pin analog mikrokontroler, masing-masing mengendalikan satu modul LED menggunakan metode soft-PWM untuk mengirimkan nilai dengan rentang 0-255.
Shift register 74HC595 memiliki 8 pin output seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2. Pada skema tersebut, dapat dilihat satu buah shift register mengakomodasi satu buah LED RGB dan satu buah LED white, namun apabila dilihat dari jumlah pin outputnya, satu buah shift register mampu mengakomodasi secara penuh dua buah LED RGB dan dua Android App Mikrokontroler Shift Register LED Module Bluetooth Communication
buah LED white. Pada rancangan ini digunakan dua buah shift register 74HC595 sehingga sistem dengan optimal dapat mengakomodasi empat buah modul LED (lebih 1 LED dari perancangan awal). Pada setiap shift register terdapat tiga pin yang dihubungkan dengan mikrokontroler yaitu pin serial utuk input data, pin shift register clock sebagai clock, dan pin register clock sebagai latch.
Gambar 2. Skema rangkaian modul LED
Secara umum pin data mikrokontroler akan mengirimkan nilai biner PWM kepada shift register. Pada saat yang sama clock dijalankan sesuai bit yang tersedia. Seiring berjalannya clock nilai data akan masuk dan bergeser ke lokasi bit selanjutnya, hingga bit yang tersedia terisi penuh (shift register 74HC595 bekerja dalam batas 8 bit). Ketika bit pada shift register telah 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.
Untuk dapat berkomunikasi dengan aplikasi pengendali pada smartphone Android, ITEAduino BT menggunakan metode komunikasi serial sehingga dalam pemrograman mikrokontroler-nya, segala komunikasi bluetooth dapat menerapkan metode yang sama dengan komunikasi serial menggunakan USB
Untuk dapat bertukar informasi antarperangkat 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 disimpan di dalam memori mikrokontroler. Komunikasi antara mikrokontroler sebagai Control System (CS) dan aplikasi Android sebagai Control Application (CA) juga menggunakan protokol komunikasi yang sama, dengan informasi RGB dan brightness hasil komunikasi disimpan didalam memori Control Application (CA) serta Control System (CS). Skema komunikasi pairing antara Contol Application (CA) dan Control System (CS) dapat dilihat pada Gambar 3.
Gambar 3. Flowchart Komunikasi Bluetooth Control Application dan Control System
Format data untuk meminta informasi RGB dan brightness: <color><channel>?
Format data untuk memberi informasi set RGB dan brightness:
<color><channel>=<value>
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 yang akan dikendalikan. Pada sistem yang dirancang terdapat tiga buah LED sehingga channel yang digunakan adalah 0 hingga 2. Value pada format data pemberi informasi berisi nilai integer antara 0 hingga 255, rentang nilai yang juga digunakan sebagai return value dari format data untuk meminta informasi.
Sebagai contoh untuk meminta informasi intensitas warna merah pada LED pertama, maka format data yang dikirim oleh Android menuju ITEAduino BT adalah: R0? . Sedangkan untuk mengatur tingkat brightness dari LED ke 3 sebesar 80% maka format datanya adalah W2=240.
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 4. Flowchart Pengiriman Perintah Warna
Pada rancangan ini aplikasi pengontrolan LED dibuat menggunakan Android Software Development Kit (SDK), menggunakan bahasa pemrograman berbasis Java. Library utama yang digunakan adalah bluetooth communication dan data storage. Library bluetooth communication digunakan untuk melakukan komunikasi dengan mikrokontroler, sedangkan library data storage digunakan untuk menyimpan informasi mood template (isinya adalah parameter RGB dan brightness). Aplikasi ini memiliki tiga kelas utama dengan fungsinya masing-masing sebagai berikut:
komponen-komponen dalam aplikasi seperti button, colorwheel, label, dsb. Kelas ini juga berisi aturan 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 melakukan fungsi pairing.
III. FUNGSI dan ANTARMUKA
Control application digunakan sebagai antarmuka untuk mengubah nyala lampu sesuai keinginan pengguna. Aplikasi 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
Pengguna dapat memati-nyalakan light module dengan menekan bola lampu
Gambar 1. Simulasi Screenshot-Light Module Off
2) Warna keluaran dan kecerahan light module
Pada tab COLOUR, pengguna dapat dengan mudah memilih warna keluaran LED-RGB dengan melakukan klik pada sebuah titik dalam RGB color wheel.
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.
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 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
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 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 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.
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
