Digi-Plug: Merancang Smart Plug dari Nol Hingga Jadi Produk MVP Smart Home

Category:

Achievements, Hardware & Electrical Engineering, IoT & Smart System

Date:

February 2026

Category: IoT & Smart System, Startup & Business Ventures Tags: Final Project, P2MW 2025, Smart Plug, Energy Monitoring, MVP Development Slug: digi-plug-smart-home-mvp Featured Image: Cover Slide.png

🔴 Situasi: Masalah yang Tidak Bisa Diabaikan

Kita hidup di era di mana konsumsi listrik Indonesia menembus 1.411 kWh/kapita di tahun 2024, tapi mayoritas rumah tangga dan industri kecil masih mengelola energi secara pasif — KWH meter konvensional hanya mencatat total pemakaian tanpa informasi real-time, tanpa kemampuan kontrol, dan tanpa proteksi otomatis terhadap lonjakan arus atau korsleting.

Masalah ini menjadi lebih rumit ketika kita melihat lanskap smart home yang ada. Produk seperti Blynk, Thinger.io, atau Tuya memang menawarkan solusi, tetapi semuanya bergantung pada cloud pihak ketiga — yang artinya: kurangnya fleksibilitas, potensi biaya berlangganan, dan risiko keamanan data karena informasi pengguna tersimpan di server eksternal.

Latar Belakang — 4 masalah utama yang mendorong pengembangan Digi-Plug

Dari sinilah Digi-Plug lahir — bukan sekadar proyek akademis, melainkan upaya serius untuk membangun perangkat smart home yang mandiri, aman, dan siap jadi produk di bawah naungan PT Habibie Digital Solutions.

Judul Resmi Tugas Akhir: “Rancang Bangun dan Implementasi Digi-Plug sebagai Minimum Viable Product Smart Home di PT Habibie Digital Solutions”

⚙️ Proses: Dari Literatur ke Prototipe Produk

Pengembangan Digi-Plug mengadopsi metodologi waterfall termodifikasi yang terdiri dari 5 tahap: Studi Literatur → Perancangan → Pembuatan → Pengujian → Evaluasi. Setiap tahap dirancang untuk menghasilkan output yang terukur dan bisa divalidasi.

Studi Literatur & Analisis Kompetitor

Sebelum menulis satu baris kode pun, saya melakukan analisis mendalam terhadap penelitian sejenis untuk mengidentifikasi gap yang bisa diisi oleh Digi-Plug:

Aspek	Penelitian Sebelumnya	Digi-Plug (2025)
Mikrokontroler	ESP8266 / ESP32	ESP32-C3 Super Mini
Monitoring Daya	❌ Tidak ada	✅ PZEM-004T real-time
Sistem Proteksi	❌ Minim	✅ Overcurrent + Auto-cut
Cloud Dependency	Blynk / Thinger.io / Tuya	✅ Sistem Mandiri
Penjadwalan	❌ Tidak ada	✅ Scheduler + Notifikasi
Aplikasi	Kodular / Dashboard 3rd party	✅ Flutter Native App
Kualitas Produk	Belum industriable	✅ MVP-ready dengan PCB custom

Hasil analisis ini memvalidasi bahwa tidak ada solusi yang menggabungkan kontrol, monitoring, proteksi, dan penjadwalan dalam satu perangkat mandiri dengan kualitas produk siap pasar.

Perancangan Perangkat Keras

Rangkaian dirancang melalui 3 tahap iterasi visual — dari Fritzing wiring diagram, ke skematik elektronik formal, hingga desain PCB custom berukuran 90mm × 60mm yang mengintegrasikan seluruh komponen ke dalam satu board.

Design Skematik Elektronik dan Layout PCB Custom (90×60mm)

Alokasi Pin ESP32-C3 Super Mini:

Pin	Fungsi	Keterangan
GPIO5	RELAY_PIN	Mengontrol gate SSR untuk ON/OFF beban
GPIO6-8	LED_R/G/B	Indikator status RGB
GPIO9	BUZZER_PIN	Umpan balik audio (alert)
GPIO10	BUTTON_PIN	Kontrol manual + factory reset
GPIO20/21	RX/TX_SENSOR	Komunikasi UART dengan PZEM-004T

🏗️ Arsitektur: Tiga Layer, Satu Ekosistem

Arsitektur Digi-Plug mengadopsi model terpusat (centralized) di mana server backend bertindak sebagai otak dan perantara utama. Desain ini memisahkan secara jelas antara perangkat fisik (IoT), logika server (backend), dan antarmuka pengguna (aplikasi).

Arsitektur Sistem Digi-Plug — 3 Layer Architecture

Layer 1: Hardware — “Lean Smart Device”

Filosofi firmware mengadopsi prinsip “perangkat cerdas yang ramping” — logika pada mikrokontroler dibuat seminimalis mungkin, fokus sebagai eksekutor dan jembatan data:

Sensor Reading: Membaca tegangan, arus, daya, dan energi dari PZEM-004T via UART setiap 3 detik
Data Transmission: Mem-publish data telemetri sebagai JSON ke MQTT Broker
Command Execution: Subscribe ke topic perintah, mengontrol SSR-25DA relay
Offline Buffering: Saat Wi-Fi terputus, data disimpan sementara ke LittleFS dan otomatis di-sync setelah reconnect — zero data loss guarantee
Safety Protection: Deteksi overcurrent → auto-cut relay + LED merah + buzzer alert

Layer 2: Backend — Event-Driven Architecture

Backend dibangun di atas Node.js + Express.js yang dipilih karena arsitektur event-driven dan non-blocking I/O — ideal untuk menangani ribuan koneksi simultan dari perangkat IoT. Tiga layanan inti berjalan secara paralel:


Backend Architecture
├── REST API Layer
│   ├── authController.js    → Register, Login (JWT)
│   ├── deviceController.js  → CRUD perangkat + provisioning
│   ├── scheduleController.js → Manajemen jadwal
│   └── authMiddleware.js    → JWT validation per-request
├── MQTT Service (mqtt_service.js)
│   ├── Subscribe: telemetri dari semua perangkat
│   ├── Parse & Store → MongoDB (PowerLog collection)
│   └── Forward commands → perangkat via MQTT publish
├── Scheduler Service (scheduler_service.js)
│   ├── node-cron → check setiap menit
│   └── Trigger MQTT command jika jadwal aktif
└── WebSocket Service
    └── Push real-time data ke aplikasi yang terhubung

Database: MongoDB dipilih untuk fleksibilitas schema-less yang cocok dengan data telemetri IoT yang bervariasi. Koleksi utama: Users, Devices, PowerLogs, Schedules.

Layer 3: Application — Flutter Native App

Aplikasi dibangun dengan Flutter untuk memastikan performa native di Android dan iOS. Berikut adalah evolusi desain dan seluruh hasil implementasi yang berhasil direalisasikan:

Fase 1: Mockup Design Awal

Mockup Aplikasi (Design Awal) — konsep awal 4 screen: Home, Statistics, Schedule, Notification

Mockup awal dirancang sebagai north star UI/UX — menampilkan konsep Home dengan device grid, halaman Statistics dengan grafik Power Consumed, Schedule untuk rutinitas otomatis, dan panel Notification. Desain ini kemudian diiterasi ke versi final dengan dark mode dan fitur yang lebih kaya

Fase 2: Hasil Implementasi — Semua Fitur

Rangkuman fitur yang berhasil diimplementasi:

🔐 Autentikasi — Register + Login dengan JWT, session management
🏠 Dashboard Home — Lokasi, cuaca, total kWh, akses cepat perangkat favorit, manajemen ruangan (CRUD)
📱 Provisioning BLE/QR — Onboarding via Bluetooth Low Energy scan atau QR Code → Wi-Fi credential transfer → konfirmasi fisik
📊 Real-time Monitoring — Tegangan (V), Arus (A), Daya (W), Power Factor, Akumulasi Energi (kWh), status Online/Offline
🔌 Kontrol ON/OFF — Toggle relay via aplikasi maupun tombol fisik, dengan status sinkronisasi dua arah
⏰ Penjadwalan Otomatis — CRUD jadwal: nama, aksi ON/OFF, waktu mulai-selesai, hari berulang (Sen-Min)
📈 Statistik & Budget — Grafik 24 jam/7 hari/30 hari, estimasi biaya per-golongan tarif PLN, insight perangkat paling boros
📄 Export Laporan PDF — Generate laporan lengkap dengan grafik, ringkasan, dan rincian per-perangkat/per-ruangan
⚙️ Setting Perangkat — Atur batas arus (threshold) untuk proteksi overcurrent, ubah jaringan WiFi
🎙️ Voice Control — Page dedicated untuk kontrol suara (future feature)

🏆 Hasil: Data Bicara, Bukan Asumsi

Digi-Plug divalidasi melalui pengujian fungsionalitas komprehensif dengan 17 skenario uji yang mencakup seluruh fitur — dari autentikasi hingga proteksi hardware. Hasilnya: 100% Berhasil.

Hasil Prototipe

Hasil Prototipe Alat — tampak depan (outlet), komponen internal (PCB + ESP32 + PZEM + Hi-Link), dan tampak belakang (plug)

Prototipe berhasil dikemas dalam form factor extension plug yang kompak, mengintegrasikan seluruh komponen elektronik (ESP32-C3, PZEM-004T, SSR-25DA, Hi-Link PSU, buzzer, LED RGB, push button) ke dalam PCB custom 90×60mm.

Akurasi Sensor PZEM-004T

Pengujian akurasi dilakukan dengan membandingkan pembacaan Digi-Plug terhadap power meter referensi pada 3 tipe beban:

Beban	Parameter	Error
Lampu Pijar 60W	Tegangan: 0,14% · Arus: 3,70% · Daya: 1,51%	✅
Kipas Angin	Tegangan: 0,04% · Arus: 0,00% · Daya: 2,43%	✅
Blower/Heater 245W	Tegangan: 0,09% · Arus: 2,56% · Daya: 2,12%	✅

Rata-rata error tegangan: < 0,14% — memvalidasi bahwa PZEM-004T memberikan akurasi yang memadai untuk aplikasi monitoring rumah tangga.

Performa Latensi Sistem

Skenario	Respons yang Diukur	Waktu
Kontrol ON/OFF	LED relay berubah	~150 ms
Pembaruan Data	Nilai di aplikasi	~1,2 detik

Dokumentasi Pengujian — perbandingan langsung pembacaan aplikasi versus power meter referensi

Offline Buffering (Zero Data Loss)

Pengujian skenario OFFLINE-01 membuktikan: koneksi internet dimatikan → perangkat tetap bisa dikontrol secara fisik → LED berkedip hijau lambat → data telemetri tersimpan di LittleFS → setelah online, semua data yang tersimpan saat offline berhasil tersinkronisasi dan muncul di riwayat aplikasi.

📝 Tech Decision Log

Mengapa ESP32-C3 Super Mini, bukan ESP32 biasa?

ESP32-C3 dipilih karena tiga alasan: (1) BLE 5.0 untuk provisioning perangkat yang lebih aman tanpa perlu koneksi WiFi awal, (2) secure boot & flash encryption bawaan untuk standar keamanan produk komersial, dan (3) form factor super mini yang esensial karena semua komponen harus muat dalam casing extension plug. Trade-off: single-core RISC-V vs dual-core Xtensa, tapi untuk use case Digi-Plug yang dominan I/O-bound (bukan CPU-bound), performa single-core sudah lebih dari cukup.

Mengapa sistem mandiri tanpa cloud pihak ketiga?

Keputusan ini bukan soal ego teknis, melainkan persyaratan bisnis dari PT Habibie Digital Solutions. Sebagai produk MVP yang akan dijual, ketergantungan pada Blynk/Tuya berarti: (1) biaya berlangganan per-device yang menggerus margin, (2) ketidakmampuan customize fitur secara bebas, dan (3) risiko vendor lock-in. Dengan membangun backend sendiri (Node.js + MongoDB), kami mendapatkan full ownership atas data, infrastruktur, dan roadmap pengembangan.

Mengapa MongoDB, bukan SQL database?

Data telemetri IoT bersifat schema-fluid — format dan frekuensi data bisa berubah seiring evolusi firmware. MongoDB memberikan fleksibilitas untuk menyimpan dokumen JSON langsung dari MQTT payload tanpa migrasi schema. Bonus: built-in TTL index untuk auto-cleanup data lama dan aggregation pipeline yang powerful untuk fitur statistik.

🔑 Key Learning: Dari Tugas Akhir ke Produk Nyata

1. Mindset MVP ≠ Mindset Prototipe

Membangun prototipe untuk demo akademis berbeda jauh dari membangun MVP untuk produk. Setiap keputusan teknis — mulai dari pemilihan komponen, desain PCB, hingga arsitektur software — harus mempertimbangkan: “Apakah ini scalable? Apakah ini aman untuk pengguna nyata? Berapa cost-per-unit?”

2. Firmware Design: Less is More

Prinsip “lean smart device” terbukti tepat. Dengan memindahkan semua logika kompleks ke backend, firmware menjadi ringan, stabil, dan mudah di-OTA update. Satu lesson learned: offline buffering ke LittleFS bukan nice-to-have, melainkan must-have untuk produk IoT di Indonesia dengan kondisi internet yang tidak selalu stabil.

3. End-to-End Ownership

Proyek ini memaksa saya untuk menjadi full-stack engineer dalam arti sebenarnya — dari mendesain PCB di KiCad, menulis firmware C++ untuk ESP32, membangun REST API + MQTT service di Node.js, hingga mengembangkan aplikasi Flutter yang production-ready. Kemampuan ini menjadi fondasi untuk tahap selanjutnya.

🚀 The Bigger Picture: Dari Digi-Plug ke DigiHome

IMPORTANT

Digi-Plug bukan titik akhir — ini adalah batu loncatan pertama menuju sesuatu yang jauh lebih besar.

Proyek Tugas Akhir ini menjadi fondasi pengembangan ekosistem DigiHome — sebuah platform smart home terintegrasi yang tidak hanya mencakup smart plug, tetapi juga smart switch, sensor ruangan, dan hub terpusat.

Milestone yang telah dicapai:

Milestone	Status	Keterangan
✅ Tugas Akhir — Digi-Plug MVP	Selesai	Nilai A, 2025
✅ P2MW 2025 (Program Pengembangan Mahasiswa Wirausaha)	Didanai	Pendanaan dari Kemendikbudristek
✅ KMI Expo 2025	Dipamerkan	Exhibition di event kewirausahaan nasional
🔄 Iterasi Produk V2	In Progress	Optimasi casing, multi-channel, dan OTA update

NOTE

📸 Dokumentasi P2MW 2025 dan KMI Expo 2025 akan ditambahkan segera setelah tersedia. Bagian ini akan diperbarui dengan foto booth exhibition, pitch deck, dan feedback dari juri/mentor.

Tech Stack Summary


┌─ Hardware ─────────────────────────────────┐
│  ESP32-C3 Super Mini · PZEM-004T · SSR-25DA │
│  Hi-Link HLK-10M05 · RGB LED · Buzzer      │
│  Custom PCB 90×60mm                         │
├─ Firmware ─────────────────────────────────┤
│  C/C++ (Arduino) · LittleFS · BLE Provisioning │
├─ Communication ────────────────────────────┤
│  MQTT · WebSocket · REST API · BLE 5.0      │
├─ Backend ──────────────────────────────────┤
│  Node.js · Express.js · MongoDB · JWT · node-cron │
├─ Mobile App ───────────────────────────────┤
│  Flutter · Dart · Provider State Management │
└────────────────────────────────────────────┘

Digi-Plug membuktikan bahwa produk IoT smart home berstandar industri bisa dibangun dari bangku kuliah — dengan engineering yang tepat dan mindset produk yang benar.