Haptic Shoes: Sepatu Pintar Berbasis Teknologi Haptik untuk Penyandang Tunanetra

Haptic Shoes adalah proyek sepatu pintar yang dirancang untuk membantu penyandang tunanetra memperoleh informasi mengenai kondisi lingkungan sekitar. Sepatu ini menggunakan kombinasi sensor elektronik, teknologi komunikasi nirkabel, GPS, GSM, dan sistem pemanen energi piezoelektrik. Informasi dari sensor dapat disampaikan melalui aplikasi Android, LCD, dan peringatan suara.

Konsep utama proyek dibagi menjadi tiga lapisan. Lapisan pertama menangani pengiriman pesan lokasi ketika pengguna menekan tombol darurat. Lapisan kedua mengubah tekanan langkah kaki menjadi energi listrik. Lapisan ketiga menggunakan berbagai sensor untuk membantu pengguna mendeteksi rintangan, genangan air, dan getaran lingkungan.

Langkah 1: Memahami Konsep Haptic Shoes

Istilah haptic berasal dari Haptic Technology, yaitu teknologi yang menciptakan pengalaman sentuhan melalui gaya, getaran, atau gerakan. Pada proyek ini, teknologi haptik digunakan sebagai pendekatan untuk menyampaikan informasi lingkungan kepada pengguna melalui mekanisme peringatan.

Sepatu dirancang untuk mengumpulkan informasi dari berbagai sensor dan memberikan respons ketika mendeteksi kondisi tertentu. Contohnya adalah keberadaan objek di depan pengguna, genangan air, getaran akibat kendaraan berat, serta kebutuhan meminta bantuan ketika terjadi keadaan darurat.

Proyek ini juga mengintegrasikan GPS dan GSM sehingga lokasi pengguna dapat dikirimkan kepada kontak yang telah ditentukan ketika tombol bantuan ditekan.

Langkah 2: Membagi Sepatu Menjadi Tiga Lapisan

Struktur Haptic Shoes dibagi menjadi tiga bagian utama berdasarkan fungsinya.

• Layer 1: Bagian pengiriman pesan lokasi darurat yang menggunakan GPS, GSM, Arduino UNO, dan tombol bantuan.
• Layer 2: Bagian pemanen energi menggunakan piezoelectric transducers yang dipasang pada titik tekanan kaki.
• Layer 3: Bagian sensor navigasi dan pemantauan lingkungan yang menggunakan Arduino Mega, LCD, Bluetooth, sensor ultrasonik, sensor getaran, sensor air, accelerometer, dan solar panel.

Pemisahan tersebut membantu proses perakitan dan pengembangan karena setiap lapisan memiliki fungsi yang berbeda.

Langkah 3: Membuat Lapisan Pertama dengan GPS dan GSM

Lapisan pertama menggunakan Arduino UNO, GPS Module NEO-6M, GSM Module SIM900, dan push button. Fungsi utamanya adalah mengirimkan pesan bantuan berisi lokasi pengguna ketika tombol darurat ditekan.

GPS NEO-6M menerima sinyal satelit dan menentukan koordinat latitude serta longitude. Arduino UNO memproses informasi lokasi tersebut menggunakan library TinyGPS. Kemudian GSM SIM900 mengirimkan SMS berisi koordinat dan tautan Google Maps kepada kontak yang telah ditentukan.

Push button ditempatkan pada bagian sepatu yang mudah ditemukan dan ditekan pengguna. Desain tombol yang mudah dikenali melalui sentuhan menjadi aspek penting bagi pengguna tunanetra.

Langkah 4: Menghubungkan GPS NEO-6M dan GSM SIM900

GPS NEO-6M dihubungkan ke Arduino UNO melalui SoftwareSerial menggunakan pin D4 dan D5. Modul GSM SIM900 menggunakan pin D2 dan D3. Kedua modul berkomunikasi menggunakan Baud Rate 9600 sesuai program yang dipublikasikan.

Arduino membaca data GPS secara berulang. Data NMEA yang diterima diterjemahkan oleh TinyGPS menjadi posisi geografis. Ketika push button ditekan, Arduino memerintahkan SIM900 mengirim SMS menggunakan AT Commands.

Pesan SMS berisi latitude, longitude, dan tautan Google Maps yang dapat dibuka oleh penerima untuk melihat lokasi pengguna. Nomor telepon penerima harus disesuaikan dengan nomor kontak yang telah mendapatkan persetujuan.

Langkah 5: Menghubungkan Tombol Darurat

Push button dihubungkan ke pin D9 Arduino UNO sesuai tabel koneksi pada dokumentasi. Saat tombol ditekan, program memeriksa kondisi digitalRead(pin) dan variabel state.

Variabel state digunakan untuk menghindari pengiriman SMS berulang ketika tombol masih berada dalam kondisi aktif. Setelah SMS dikirim, state diubah menjadi 1. Ketika tombol dilepaskan, state dikembalikan menjadi 0 sehingga tombol dapat digunakan kembali.

Catatan implementasi: program asli tidak menetapkan pinMode() untuk pin tombol. Oleh karena itu, rangkaian membutuhkan konfigurasi pull-up atau pull-down eksternal yang benar agar input tidak mengambang (floating).

Langkah 6: Membuat Lapisan Kedua dengan Piezoelectric Transducers

Lapisan kedua menggunakan 15 piezoelectric transducers yang dipasang pada titik-titik tekanan kaki di bagian dalam sepatu. Ketika pengguna berjalan, tekanan mekanis dari langkah kaki menghasilkan tegangan listrik melalui efek piezoelektrik.

Piezoelectric transducer merupakan perangkat yang dapat mengubah energi mekanis menjadi energi listrik dan sebaliknya. Pada proyek ini, tekanan yang muncul ketika kaki menyentuh permukaan sepatu dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik.

Kelima belas transduser dihubungkan menjadi satu rangkaian. Keluaran listrik kemudian diarahkan ke Bridge Rectifier yang dibuat menggunakan empat dioda 1N4007. Rangkaian penyearah mengubah keluaran listrik AC dari piezo menjadi DC.

Tegangan hasil penyearahan selanjutnya dihubungkan ke rangkaian pengatur tegangan DC/DC dan digunakan untuk mengisi baterai Lithium-Ion 3.7V. Energi yang terkumpul dapat digunakan sebagai sumber energi tambahan untuk perangkat elektronik pada sepatu.

Langkah 7: Membuat Sistem Bridge Rectifier dan Penyimpanan Energi

Hubungkan empat dioda 1N4007 dalam konfigurasi Bridge Rectifier. Konfigurasi ini memungkinkan tegangan keluaran piezoelectric yang berubah polaritas disearahkan menjadi DC.

Hubungkan output penyearah ke rangkaian DC/DC Charge Pump Adjustable Voltage Regulator yang digunakan dalam rancangan, kemudian arahkan keluaran yang sesuai menuju baterai 3.7V.

Perlu diperhatikan bahwa artikel tidak memberikan diagram lengkap koneksi seri atau paralel untuk 15 transduser, spesifikasi arus pengisian, maupun rangkaian perlindungan baterai. Implementasi nyata memerlukan rangkaian pengisian Lithium-Ion yang dirancang khusus, termasuk proteksi overcharge, overdischarge, dan overcurrent. Jangan menghubungkan keluaran piezo langsung ke baterai tanpa rangkaian pengisian yang sesuai.

Langkah 8: Membuat Lapisan Ketiga dengan Arduino Mega

Lapisan ketiga merupakan bagian utama pemantauan lingkungan. Perangkat yang digunakan meliputi Arduino Mega, LCD 16x2, solar panel, water sensor, vibration sensor, ultrasonic sensor HC-SR04, HC-05 Bluetooth Module, ADXL335 accelerometer, dan potentiometer.

Fungsi lapisan ketiga dibagi menjadi dua bagian. Bagian pertama mengumpulkan data dari solar panel, vibration sensor, ultrasonic sensor, accelerometer, dan Bluetooth, kemudian mengirimkannya ke aplikasi Android. Bagian kedua menggunakan LCD 16x2, water sensor, dan potentiometer untuk menampilkan informasi kondisi air.

Langkah 9: Memasang Ultrasonic Sensor HC-SR04

Ultrasonic Sensor HC-SR04 digunakan untuk mengukur jarak objek di depan pengguna. Sensor mengirimkan gelombang ultrasonik melalui pin Trig dan menerima pantulan gelombang melalui pin Echo.

Arduino menghitung waktu perjalanan gelombang dari sensor menuju objek dan kembali lagi. Jarak dapat dihitung dengan rumus jarak = durasi × 0,034 / 2 dalam satuan sentimeter, menggunakan kecepatan suara sekitar 0,034 cm per mikrodetik.

Ketika objek terlalu dekat, sistem dapat memberikan peringatan agar pengguna mengetahui adanya potensi tabrakan. Dokumentasi menjelaskan fungsi peringatan berdasarkan ambang jarak, tetapi tidak memberikan nilai ambang jarak final secara eksplisit pada kode yang tersedia.

Langkah 10: Memasang Vibration Sensor MiniSense 100

Vibration Sensor digunakan untuk mendeteksi getaran kuat pada lingkungan sekitar. Contohnya adalah getaran yang ditimbulkan kendaraan berat yang melintas di dekat pengguna.

Ketika sensor mendeteksi getaran di atas batas tertentu, Arduino dapat menyalakan LED atau mengaktifkan sistem peringatan. Pada program Layer 3, keluaran sensor dibaca menggunakan pulseIn() dan disimpan dalam variabel measurement.

Program menggunakan ambang batas measurement lebih besar dari 50 untuk menyalakan LED indikator.

Langkah 11: Memasang Solar Panel

Solar panel digunakan untuk mengubah energi matahari menjadi energi listrik. Keluaran panel dibaca oleh Arduino melalui input analog A0.

Program mengambil hasil analogRead(A0), kemudian mengubah nilainya menjadi perkiraan tegangan menggunakan rumus sensorValue × (5.0 / 1023.0). Hasil perhitungan dikirimkan melalui komunikasi serial menuju aplikasi.

Solar panel pada rancangan ini juga dimaksudkan sebagai sumber energi tambahan yang dapat dimanfaatkan untuk pengisian perangkat lain. Namun, pengisian baterai memerlukan pengatur tegangan dan rangkaian pengisian yang sesuai.

Langkah 12: Memasang Water Sensor

Water sensor digunakan untuk mendeteksi keberadaan atau tingkat air. Sensor ini dirancang untuk membantu pengguna mengetahui apabila kaki berada di area yang mengandung air atau genangan.

Output sensor dibaca melalui pin analog A5. Nilai pembacaan disimpan dalam variabel resval dan dibandingkan dengan beberapa rentang nilai untuk menentukan kondisi air.

• 0 sampai 100: Empty atau kosong.
• Lebih dari 100 sampai 300: Low atau rendah.
• Lebih dari 300 sampai 330: Medium atau sedang.
• Lebih dari 600: High atau tinggi, disertai aktivasi buzzer.

Nilai ambang tersebut merupakan konfigurasi contoh dalam program dan perlu disesuaikan dengan sensor serta kondisi pemasangan aktual. Terdapat celah rentang antara 331 sampai 600 yang tidak ditangani dalam kode asli.

Langkah 13: Memasang LCD 16x2 dan Potentiometer

LCD 16x2 digunakan untuk menampilkan informasi mengenai kondisi sistem secara langsung. Potentiometer digunakan sebagai komponen pengatur pada rangkaian LCD, umumnya untuk mengatur kontras layar.

Program menggunakan library LiquidCrystal untuk mengendalikan layar. Pada bagian inisialisasi, objek LCD dibuat menggunakan LiquidCrystal lcd(1,2,4,5,6,7). Selanjutnya LCD diatur menggunakan lcd.begin(16,2), kemudian menampilkan tulisan Haptic Shoes dan B.tech 3rd yr EC.

Setelah pesan pembuka ditampilkan selama sembilan detik, LCD dihapus dan digunakan untuk menampilkan informasi sensor air. Dokumentasi kode tidak memperlihatkan konfigurasi potensiometer secara eksplisit.

Langkah 14: Memasang Modul Bluetooth HC-05

Bluetooth HC-05 digunakan untuk mengirimkan data hasil pengukuran dari Arduino Mega ke smartphone. Data yang dikirimkan meliputi jarak dari sensor ultrasonik, tegangan solar panel, dan hasil pengukuran sensor getaran.

Pada tabel koneksi proyek, pin D0 Arduino berfungsi sebagai RX dan menerima TX Bluetooth, sedangkan pin D1 Arduino berfungsi sebagai TX dan mengirimkan data ke RX Bluetooth.

Data dikirim dalam format teks dengan pemisah karakter tanda garis vertikal. Contohnya, data jarak, tegangan, dan getaran dikirimkan dalam satu rangkaian pesan serial sehingga aplikasi dapat memisahkan masing-masing nilai.

Untuk mengunggah program melalui USB, lepaskan sementara koneksi HC-05 dari pin D0 dan D1 karena pin tersebut juga digunakan untuk komunikasi USB Serial pada Arduino Mega.

Langkah 15: Mengembangkan Aplikasi Android dengan MIT App Inventor

Aplikasi Android dirancang menggunakan MIT App Inventor. Data yang dikirimkan oleh mikrokontroler melalui Bluetooth diterima oleh aplikasi, kemudian digunakan untuk menampilkan informasi sensor.

Pengguna dapat mengunduh MIT App Inventor melalui https://appinventor.mit.edu/. Untuk menguji aplikasi, instal AI2 Companion dari Google Play Store dan pindai QR Code dari editor MIT App Inventor.

Artikel menyediakan dokumentasi tampilan halaman aplikasi dan App Block Code. Aplikasi tersebut dibuat sendiri oleh pembuat proyek untuk menerima data dari mikrokontroler melalui Bluetooth.

Langkah 16: Menggabungkan Tiga Lapisan Sepatu

Setelah masing-masing bagian selesai dibuat, gabungkan seluruh lapisan menjadi satu sistem wearable. Layer 1 ditempatkan pada bagian yang memungkinkan pengguna dengan mudah menjangkau tombol bantuan. Layer 2 ditempatkan di area tekanan telapak kaki agar piezo dapat menghasilkan energi ketika pengguna berjalan. Layer 3 ditempatkan pada bagian sepatu yang dapat melindungi sensor, modul komunikasi, dan LCD.

Pastikan kabel tidak mengganggu gerakan kaki, komponen tidak menimbulkan tekanan berlebihan, dan perangkat elektronik terlindungi dari kelembapan. Perhatikan juga distribusi berat sepatu supaya tetap nyaman digunakan.

Langkah 17: Menguji Seluruh Fungsi

Uji setiap lapisan secara terpisah sebelum menggabungkan keseluruhan sistem. Untuk Layer 1, periksa apakah GPS memperoleh koordinat valid dan GSM berhasil mengirim SMS saat tombol bantuan ditekan.

Untuk Layer 2, ukur tegangan yang dihasilkan piezoelectric transducers menggunakan multimeter. Periksa keluaran Bridge Rectifier dan rangkaian pengatur tegangan sebelum menghubungkannya dengan sistem baterai.

Untuk Layer 3, periksa pembacaan ultrasonic sensor, sensor getaran, solar panel, dan water sensor. Pastikan LCD menampilkan informasi yang sesuai dan data serial dapat diterima aplikasi Android.

Langkah 18: Evaluasi dan Pengembangan

Haptic Shoes menunjukkan bagaimana berbagai teknologi dapat digabungkan menjadi perangkat bantu yang berpotensi meningkatkan kemandirian penyandang tunanetra. Kombinasi sensor lingkungan, komunikasi Bluetooth, GPS, GSM, dan pemanen energi menghadirkan sistem wearable dengan beragam fungsi.

Pengembangan berikutnya dapat mencakup optimasi ukuran perangkat, peningkatan kenyamanan sepatu, pengembangan pola getaran haptik yang lebih mudah dikenali, kalibrasi sensor, manajemen energi yang lebih efisien, dan peningkatan keandalan pengiriman pesan darurat.

Catatan keselamatan: Proyek ini merupakan prototipe edukasi dan tidak menggantikan tongkat putih, anjing pemandu, maupun perangkat navigasi bantu yang telah diuji. Fitur GPS/GSM juga memerlukan koneksi satelit, jaringan seluler, dan konfigurasi kontak yang benar. Sistem harus diuji secara menyeluruh sebelum dipertimbangkan untuk penggunaan sehari-hari.