## Perancangan dan Pembuatan Smart Lighting pada Ruang Kelas berbasis Wireless Sensor Network
Pamungkas Daud Puslit Elektronika dan Telekomunikasi-LIPI pmkdaud@gmail.com
Nanang Nasrullah Fakultas Teknik, Jurusan Elektronika Universitas Langlangbuana nanang@gmail.com

## Gita Ambar Dini
Fakultas Teknik, Jurusan Elektronika Universitas Langlangbuana gita.ambardini@gmail.com Abstrak - Pencahayaan berperan penting terhadap kenyamanan visual dalam proses belajar-mengajar. Sistem pencahayaan cerdas (smart lighting) dirancang untuk kenyamanan visual dan penghematan energi listrik. Untuk penghematan energi listrik smart lighting dirancang dalam satu ruangan, akan dibagi menjadi beberapa sel/titik. Sehingga kontrol lampu diatur oleh masing-masing sel/titik. Lampu yang akan menyala dengan luminasi 250-300 lux, hanya sel/titik yang memiliki hunian. Sedangan sel yang tidak memiliki hunian, tapi disel/ titik yang lain ada hunian, akan menyala dengan luminasi 20% dari standar. Dan lampu akan mati apabila dalam ruangan tidak memiliki hunian. Kondisi lingkungan seperti cahaya alami, intensitas cahaya interior, dan tingkat hunian dikumpulkan dari sensor PIR dan sensor cahaya BH1750 akan diproses oleh mikrokontroller. Selanjutnya mikrokontroller akan mengeluarkan nilai PWM, sebagai inputan untuk rangkaian dimmer. Rangkaian dimmer digabungkan dengan rangkaian zero crossing detector, untuk mengendalikan beban lampu LED dimmable dengan sumber AC. Sistem smart lighting dengan sistem sel ini mampu mencapai penghematan energi listrik sebesar 50%.
Kata kunci - smart lighting, kenyamanan visual, penghematan energi, dimmer AC, lampu LED dimmable
1. Pendahuluan
Gangguan pencahayaan dapat berupa distribusi cahaya yang kurang merata, intensitas cahaya terlalu kontras yaitu cahaya ruangan terlalu terang maupun terlalu redup akan menyebabkan kelelahan pada mata dan mengurangi konsentrasi belajar.
Sumber cahaya terbesar matahari sebagai sumber cahaya alami dapat dimanfaatkan untuk sumber Energi. Namun, ketersediaan sumber cahaya alami yang tidak konstan karena perubahan cuaca dan permasalahan yang berkaitan dengan kedalaman ruang menyebabkan distribusi cahaya yang masuk ke dalam ruang tidak merata karena ada beberapa bagian dari ruangan yang tidak kebagian sinar cahaya matahari.
Cahaya lampu dapat mendistribusikan cahaya lebih merata dan cahaya yang dihasilkan relatif konstan Manajemen pencahayaan merupakan salah satu teknologi pencahayaan untuk mengatur sistem pencahayaan secara efisien dan ekonomis, mengatur dan memonitor penggunaan lampu dan luminasi untuk tampilan yang optimum untuk memenuhi kenyamanan visual yang sesuai standar dengan menstimulasi pencahayaan ruangan sesuai kondisi dan kebutuhan ruang. Pembuatan smart lighting sudah banyak dilakukan oleh peneliti lain. Wilyanto, dkk [8] telah membuat sistem pengaturan pencahayaan ruang kuliah menggunakan Jaringan Sensor tanpa Kabel. Abhishek [9] telah membuat sistem peredupan lampu multichannel dengan pengontrolan peredupan melalui web. Thet, dkk [10] , telah membuat Smart Lighting dengan menggunakan sensor secara nirkabel.
Perancangan dan pembuatan Smart Lighting pada ruang kelas ini, berbeda dengan Smart lighting yang sudah ada sebelumnya. Smart lighting ini menggunakan pencahayaan dengan sistem sel. Pada satu ruang kelas dibagi menjadi beberapa sel. Setiap sel mempunyai lampu dan sensor hunian mandiri. Selain itu setiap sel mampu menerima data hunian dari sel yang lain. Kondisi pengaturan Smart Lighting , ada 3 macam, yaitu 1. Lampu akan mati total, ketika tdak ada orang dalam ruangan.
2. Lampu akan redup (50-60 lux), ketika dalam sel tidak terdeteksi hunian, tapi ditempat lain terdeteksi hunian.
3. Lampu akan menyala terang (250-300 lux), ketika dalam sel terdeteksi adanya hunian.

## 2. Metode
2.1. Perancangan Perangkat Keras
Berikut ini adalah diagram blok sistem dari rangkaian Smart Ligting . Sistem ini terdiri dari 2 alat, yaitu rangkaian master dan rangkaian slave . Rangkaian Master (Tx) Rangkaian Slave 1 (Rx) Rangkaian Slave 2 (Rx) Gambar 1. Blok Diagram sistem Sensor PIR Mikrokontroller AT-Mega328PU
RF 433MHz (Tx)
Gambar 2. Blok Diagram Rangkaian Master (Tx )
Rangkaian master terdiri dari mikrokontroller Arduino uno, sensor PIR dan modul RF (Radio Frekuensi). Sensor PIR berfungsi untuk mendeteksi ada tidaknya orang dalam ruang kelas. Mikrokontroller akan mengirimkan kondisi data hunian melalui modul RF 433MHz (Tx).
Mikrokontroller AT-Mega328PU Stepdown 5V RF 433MHz (Rx) Sensor Cahaya BH1750 Zero Crossing Detector Rangkaian Dimmer Lampu LED Dimmable Sensor PIR
Gambar 3. Blok Diagram Rangkaian Slave (Rx)
Modul stepdown 5V, akan memberikan suplay untuk mikrokontroller, sensor PIR, modul RF, dan rangkaian zero crossing detector . Modul RF (Rx) berfungsi untuk menerima data yang dikirimkan oleh modul RF (Tx). Sensor PIR berfungsi untuk mendeteksi hunian disetiap titik. Sensor BH1750 akan mendeteksi keadaan cahaya yang nantinya akan digunakan sebagai data masukan ( input ) ke mikrokontroler. Untuk mendeteksi dan
mengatur titik nol ( zero crossing detector ) dari jala-jala listrik untuk digunakan sebagai sinyal acuan digunakan rangkaian zero crossing detector , dimana keluaran dari rangkaian ini nantinya berfungsi sebagai sinyal interupsi pada eksternal Mikrokontroler dan pada akhirnya sinyal PWM yang dapat diatur dibangkitkan sehingga gate triac pada rangkaian dimmer akan terpicu. Rangkaian dimmer berfungsi untuk mengatur redup dan terangnya lampu LED.

## 2.2. Perancangan Perangkat Lunak
Pada rangkaian master , sensor PIR akan mendeteksi hunian dalam ruangan. Ketika ada orang dalam ruangan, maka mikrokontroller akan membuat status data=’1234’. Ketika tidak ada orang, maka mikrokontroller akan membuat status data=’0000’. Data ini akan dikirim melalui modul RF secara nirkabel. Pada gambar 4. dapat dilihat flow chart dari rangkaian master yang dibuat.
Baca sensor PIR PIR = HIGH Mulai Data = 1234" Data =  0000 Kirim Data via RF Y N
Gambar 4. Flowchart Rangkaian Master (Tx)
Pada rangkaian Slave , data dari rangkaian master yang dikirim secara nirkabel akan diterima, oleh modul RF(Rx). Kemudian sensor PIR pada rangkaian slave akan mendeteksi hunian per sel/ titik.
Berikut ini adalah flowchart dari rangkaian slave .
Baca Data dari RF, PIR, LDR Data=1234" Mulai Lampu Mati PIR =HIGH Lampu Terang Lampu Redup Y Y N N
Gambar 5. Flowchart Rangkaian Slave (Rx)

## 2.3. Desain Skematik 2.3.1. Rangkaian Sistem Minimum ATMega 328PU
Rangkaian sistem minimum ini digunakan untuk kontroller dirangkaian master dan slave . Pin yang digunakan pada rangkaian master adalah pin D6, D7 dan D12. Pin D6 dihubungkan dengan pin Out Modul PIR. Pin D7 dihubungkan dengan led merah sebagai lampu indikator. Pin D12 dihubungkan dengan pin Data Modul RF 433MHz, sebagai transceiver (Tx).
Gambar 6. Skematik Rangkaian Sismin ATMega 328 PU
Pada rangkaian Slave , pin mikrokontroller yang dipakai adalah pin D2, D3, D6, D7, D11, A4 dan A5. Pin D2 disambungkan dengan rangkaian Zero Crossing Detector. Pin D3 sebagai PWM dihubungkan dengan rangkaian dimmer. Pin D6 dihubungkan dengan pin Out Modul PIR. Pin D7 dihubungkan dengan led merah sebagai lampu indikator. Pin D11 dihubungkan dengan pin Data Modul RF 433MHz, yang berfungsi sebagai receiver (Rx). Pin A4 dihubungkan dengan pin SDA dan pin A5 dihubungkan dengan pin SLC pada sensor BH1750.

## 2.3.2 Rangkaian Dimmer
Komponen utama dari rangkaian dimmer ini adalah triac BTA16 yang memiliki rating tegangan sampai dengan 600Volt dan arus maksimum 16A. Antara rangkaian dimmer dan rangkaian lainnya perlu dipisahkan karena tegangan ground-nya berbeda, untuk itu digunakan suatu driver triac MOC3020 yang bersifat optocoupler. Untuk mengaktifkan MOC3020 diperlukan arus dengan nilai maksimum 50 mA. Pada gambar 7., terlihat Skematik rangkaian dimmer.
Gambar 7. Skematik Rangkaian Dimmer

## 2.3.3 Rangkaian Zero Crossing Detector
Rangkaian ini digunakan untuk mendeteksi titik nol dari jala-jala listrik untuk dijadikan sinyal acuan yang akan digunakan sebagai interupsi eksternal mikrokontroler. Pada rangkaian ini untuk memicu Gate
Triac pada rangkaian Dimmer , digunakan sinyal PWM yang dibangkitkan dan diatur oleh Mikrokontroler.
Gambar 8. Skematik Rangkaian Zero Crossing Detector

## 3. Hasil dan Diskusi
3.1. Perhitungan Batas Cakupan Area Sensor PIR
Penentuan batas area sensor PIR pada rangkaian Slave , tergantung kepada tinggi ruang kelas. Sensor PIR yang mempunyai sudut pancaran sebesar 110 ᵒ , dibatasi menjadi 30 ᵒ . Sehingga batas area sensor tidak terlalu melebar. Rumus untuk mencari besar jari-jari area sensor adalah :
= tan 15° × (1)

## Gambar 9. Batas cakupan area sensor PIR
3.2. Perhitungan Banyak Lampu dan Posisi Penempatan Lampu
Perencaan besarnya tingkat pencahayaan pada ruang kelas adalah 250 lux. Jika lampu yang digunakan
mempunyai lumen 840 lm. Maka banyaknya lampu yang diperlukan dalam satu ruang adalah:
= × × ∅× × × (2)
= 250 5×2 ×2 840 5. 2×0,8×65%×1
= 2,289 =± 2 ℎ
Berikut ini adalah posisi penempatan lampu pada ruangan 2m x 2m.
Gambar 10. Posisi Penempatan Lampu

## 3.3. Pengujian Sensor PIR
Pengukuran sensor Pir bertujuan untuk memastikan sensor pir berfungsi dengan baik. Sebelum dilakukan pengukuran, sensor pir disetting dengan cara mengatur waktu jeda (delay time) dan pengaturan sensitivitas.
Pada Tabel-1, terlihat hasil pengujian dari sensor PIR.

## Tabel 1. Hasil pengujian sensor PIR
Sudut ( ᵒ )
Jarak (meter) 1 2 3 4 5 6 -60 0 0 0 0 0 0 -50 1 0 0 0 0 0 -40 1 1 0 0 0 0 -30 1 1 1 0 0 0 -20 1 1 1 1 0 0 -10 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 10 1 1 1 1 1 0
20 1 1 1 1 0 0 30 1 1 1 0 0 0 40 1 1 0 0 0 0
50 1 0 0 0 0 0 60 0 0 0 0 0 0
Dari hasil Pengukuran sensor PIR dapat disimpulkan bahwa sensor PIR mampu mendeteksi keberadaan manusia sampai jarak 5m dengan jangkauan sudut 100 ᵒ .

## 3.4. Pengujian Sensor Cahaya BH1750
Pengujian sensor BH1750 dilakukan dengan cara membandingkan hasil pengukuran intensitas cahaya lux meter LX-1010B dengan sensor BH1750.
Tabel 2. Perbandingan Pengukuran Sensor Cahaya BH1750 dan Lux Meter LX-1010B
Duty Cycle PWM (%) Sensor BH1750 (lx) Lux Meter (lx) Kesalahan (%) 5 46 42 9,5 10 108 108 0 15 170 177 -4 20 198 179 10,6 25 184 171 7,6 30 204 204 0 35 316 296 6,8 40 430 415 3,6 45 519 477 8,8 50 583 535 9,0 55 635 573 10,8 60 710 638 11,3 65 750 728 3,0 70 760 755 0,7 75 781 770 1,4 80 798 789 1,1 85 816 809 0,9 90 827 815 1,5 95 839 830 1,1
Gambar 11. Grafik Perbandingan Pengukuran Penerangan antara Lux Meter Type LX1010B dengan Sensor BH1750
Kesalahan minimal pengukuran dengan menggunakan sensor cahaya BH1750 yaitu 0%, pada saat duty cycle 10% dan 30%. Sedangkan persentasi kesalahan maksimum yaitu sebesar 11,3% pada saat duty cycle 60%.

## 3.5. Pengujian Modul RF 433Mhz
Pengujian modul RF 433Mhz bertujuan untuk memastikan data terkirim sampai tujuan. Pengujian ini menggunakan dua mikrokontroller. Satu mikrokontroller disambungkan dengan modul Transmitter RF 433MHz. dan yang satu lagi dihubungkan dengan modul Receiver RF 433MHz.
Tabel 3. Pengujian Modul RF 433MHz
Jarak (m) Pengiriman data 5 Terkirim 10 Terkirim 15 Terkirim 20 Terkirim

## 3.6. Pengujian Rangkaian Dimmer
Pengujian rangkaian dimmer dilakukan untuk mengecek lampu led apakah menyala stabil atau berkedip. Hasil pengukuran tegangan output, dan arus output dari rangkaian dimmer yang nantinya digunakan mengatur intensitas cahaya lampu, bisa dilihat pada Tabel-4.
Tabel 4.Pengukuran Arus dan Tegangan pada Dimmer
Duty Cycle PWM (%) Arus (A) Tegangan (V) Daya (W) Kondisi lampu 10 0,044 8,6 0,378 Menyala stabil 20 0,044 26,9 1,184 Menyala stabil 30 0,044 45,1 1,984 Menyala stabil 40 0,044 86,4 3,802 Menyala stabil 50 0,044 148,2 5,069 Menyala stabil 60 0,044 115,2 6,512 Menyala stabil 70 0,044 184,5 8,118 Menyala stabil 80 0,044 196,1 8,628 Menyala stabil 90 0,044 208,2 9,161 Menyala stabil 100 0,044 217,5 9,570 Menyala stabil

## 3.7. Pengujian Seluruh Rangkaian
Pengujian seluruh rangkaian ini untuk mengetahui apakah pembuatan Smart Lightingpada ruang kelas ini, berhasil atau tidak. Untuk mengetahui kondisi hunian di ruangan, dicek oleh sensor pir yang dipasang di rangkaian Master . Sedangkan konsisi hunian di sel di cek oleh sensor pir yang ada di rangkaian slave masing- masing tempat. Kondisi hunian ruangan dikirim ke rangkaian slave melalui tranmisi RF (Radio Frekuensi). Berikut hasil pengujian dari seluruh rangkaian.
Tabel 5. Hasil Pengujian Seluruh Rangkaian
Kondisi Hunian di Ruangan Kondisi hunian di Sel Kondisi seharusnya Kondisi yang Terjadi Keterangan 0 0 Lampu mati Lampu Mati Sudah sesuai 0 1 Lampu menyala Lampu menyala stabil Sudah sesuai 1 0 Lampu menyala 20% Lampu berkedip- kedip Belum sesuai 1 1 Lampu menyala Lampu menyala stabil Sudah sesuai
Hasil pengujian seluruh rangkaian pada Tabel 5 ada 1 kondisi yang belum sesuai, yaitu pada saat kondisi hunian di sel tidak ada, sementara di sel lain terdapat
hunian, maka seharusnya lampu menyala 20% konstan. Namun kenyataannya lampu tidak menyala konstan (berkedip-kedip). Sehingga perlu dicek rangkaian dimmer pada kondisi hunian di sel lain terdeteksi sedangakam kondisi hunian di sel tidak terdeteksi.
Tabel 6. Pengujian Rangkaian Dimmer pada saat kondisi hunian di sel lain terdeteksi sedangakam kondisi hunian di sel tidak terdeteksi
Duty Cycle PWM (%) Kondisi lampu 10 Berkedip 20 Berkedip 30 Berkedip 40 Berkedip 50 Berkedip 60 Berkedip 70 Menyala Stabil 80 Menyala Stabil 90 Menyala Stabil 95 Menyala Stabil 100 Menyala Stabil
Dari hasil pengujian pada Tabel 6 kita bisa mengetahui bahwa dimmer menyala stabil pada saat duty cycle PWM >=70%

## 3.8. Pengukuran Tingkat Penerangan
Pengukuran tingkat penerangan dilakukan pada setiap titik, seperti pada gambar 4.4. Pengukuran dilakukan pada saat ada hunian (semua lampu menyala) dengan menggunakan lux meter LX-1010B.Hasil Pengukuran bisa dilihat pada Tabel-7.
Gambar 12. Posisi Titik Pengukuran Penerangan

## Tabel 7. Hasil Pengukuran Tingkat Penerangan pada tiap
Titik Titik Tingkat Penerangan (Lux) 1 252 2 255 3 251 4 253

## 3.9. Analisa Perbandingan Pemakaian Energi Listrik
Berikut ini adalah hasil analisa dari pemakaian energy listrik dengan menggunakan
Tabel 8. Pengukuran Besarnya Cahaya Alami Yang
Masuk Pada Ruang Kelas Hari Ke Rata2 penerangan (lx) Jam 1 2 3 4 5 7.00 117 100 112 108 96 106,60 8.00 90 121 114 101 100 105,20 9.00 119 102 121 92 97 106,20 10.00 130 155 120 115 108 125,60 11.00 136 158 191 110 144 133,40 12.00 134 136 131 111 154 133,30 13.00 182 189 193 159 164 177,40 14.00 133 150 167 138 142 146,00 15.00 133 147 158 155 147 148,00 Rata-rata Luminasi (lx) 131,29
Berikut ini adalah perhitungan iluminasi (tingkat penerangan) cahaya buatan yang diperlukan:
= 250 5 − 131,25 5 (3) = 118,71 5 = 118,71 8 2 = 5 (4) = 118,71 8 2 5 4 2 = 474,84 8 Dengan menggunakan smart lighting , untuk menghasilkan cahaya buatan sebesar 474,88 lumen membutuhkan nilai pwm dengan duty cycle sebesar 45% (dari tabel 2). Besar daya lampu pada saat duty cycle 45 % adalah ±5 watt.
Berikut ini adalah perbandingan perhitungan energy listrik dengan menggunakan smart lighting dan tanpa smart lighting . Dengan asusmsi pemakaian lampu per hari adalah 8 jam
Smart Lighting Tanpa Smart Lighting E = 5 5 8 E = 40 ℎ E = 10 5 8 E = 80 ℎ
Perbandingan perhitungan diatas membuktikan bahwa dengan menggunakan smart lighting, mampu mengurangi energy listrik hingga 50%

## Kesimpulan
Perancangan dan pembuatan Smart Lighting pada Ruang Kelas dengan berbasis Wireless Network Sensor telah selesai dibuat, berikut ini beberapa kesimpulan yang bisa diambil :
1. Lampu menyala terang dengan iluminasi ±250 lux pada saat ada hunian dalam sel.
2. Pada saat tidak ada hunian di sel setempat, tapi di sel lain ada hunian, lampu yang harusnya menyala redup 50 lux, belum berhasil.
3. Dengan menggunakan Smart Lighting konsumsi energi listrik dapat dikurangi setengahnya

## Daftar Pustaka
[1] Latifah, Nur Laela. 2015. Fisika Bangunan 2. Jakarta. Penerbit Griya Kreasi
[2] Kadir, Abdul. 2018. From Zero To A Pro: Arduino. Yogyakarta: Penerbit Andi.
[3] DKI Jakarta, Pemprop. 2012. Sistem Pencahayaan Vol. 3. Jakarta
[4] Schawartz, Marco. 2014. Arduino Home Automation Projects. Birmingham, UK. Packt Publising.
[5] Santoso, Hari. 2017. Monster Arduino Ver 2. Malang [6] Wilyanto, Firdaus. 2017. Sistem Pengaturan Pencahayaan Pada Ruang Kuliah Untuk Mendukung Program Hemat Energi Berbasis Wireless Sensor Network. Prosiding SNATIF K e-4. ISBN: 978-602-1180-50-1
[7] Ketut, Darminta. 2016. Rancang Bangun Sistem Kontrol Cahaya Lampu Berbasis Mikrokontroler Atmega32. JURNAL LOGIC. VOL. 16. NO. 2.
JULI 2016 [8] Gopal M, Venu. 2016. Controlling Multiple RF Receivers by Universal RF Transmitter https://www.engineersgarage.com/contribution/mul tiple-rf-receivers-controlled-universal-rf-transmitter ,
[9] Abhishek123. 2018. “Multichannel Wireless Light Dimmer”, https://www.instructables.com/id/Multichannel- Wireless-Light-Dimmer/
[10] Thet, Lwin Myo. 2017. ” A Smart Lighting System using Wirelesss Sensor Actuator Network”. London, UK. Intelegent System Conference https://www.researchgate.net/publication/32402185
5_A_smart_lighting_system_using_wireless_sensor _actuator_network