Preparation of Papers in Two-Column Format

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:
<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
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.