Series ESP32 & Cảm biến: Bài 24 – Đọc cảm biến HC-SR04: đo khoảng cách siêu âm & theo dõi realtime

Cảm biến HC-SR04 là một trong những cảm biến đo khoảng cách phổ biến nhất trong thế giới DIY/Maker.
Với ESP32, HC-SR04 giúp bạn đo khoảng cách không tiếp xúc, rất phù hợp cho:

• Tránh vật cản (robot, xe tự hành)
• Đo mức nước/thùng chứa (phiên bản đơn giản)
• Phát hiện có người/vật đi qua
• Làm trigger cho cảnh báo, automation

Trong bài này, chúng ta sẽ:

1. Đo khoảng cách HC-SR04 local
2. Gửi dữ liệu realtime lên IoTLabs Cloud MQTT

1. HC-SR04 là gì?

HC-SR04 là cảm biến siêu âm, hoạt động theo nguyên lý:

• Phát sóng siêu âm (Trigger)
• Nhận sóng phản xạ (Echo)
• Tính thời gian → suy ra khoảng cách

Thông số cơ bản

• Điện áp: 5V
• Khoảng đo: ~2cm → 400cm
• Độ chính xác: ~±3mm
• Giao tiếp: Trigger / Echo (Digital)

Lưu ý: Echo trả về xung 5V → cần cẩn thận với ESP32 (3.3V).

2. Chuẩn bị phần cứng & nối dây

Thiết bị

• ESP32-C3 SuperMini
• HC-SR04
• (Khuyến nghị) chia áp cho chân Echo

Kết nối cơ bản

HC-SR04	ESP32-C3
VCC	5V
GND	GND
TRIG	GPIO4
ECHO	GPIO5 (qua chia áp)

Có thể dùng chia áp: 1kΩ + 2kΩ để hạ 5V → ~3.3V.

3. Nguyên lý đo khoảng cách

Công thức chuẩn:

distance_cm = (duration_us × 0.034) / 2

• duration_us: thời gian Echo HIGH (microseconds)
• 0.034 cm/µs: vận tốc âm thanh trong không khí

4. Ví dụ 1: Đọc HC-SR04 local (Serial)

#define TRIG_PIN 4
#define ECHO_PIN 5

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
}

float readDistanceCM() {
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);

  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 30000); // timeout 30ms
  if (duration == 0) return -1;

  return (duration * 0.034) / 2.0;
}

void loop() {
  float distance = readDistanceCM();
  if (distance > 0) {
    Serial.print("Distance: ");
    Serial.print(distance);
    Serial.println(" cm");
  } else {
    Serial.println("Out of range");
  }
  delay(500);
}

pulseIn có timeout giúp tránh treo chương trình.

5. Đặc trưng dữ liệu HC-SR04 (IoT mindset)

HC-SR04 sinh ra telemetry liên tục, không phải event.

Dữ liệu phù hợp:

{
  "ts": 1760000000,
  "metrics": {
    "distance_cm": 42.5
  }
}

Rất phù hợp cho:

• Chart realtime
• Trigger rule (nếu < X cm → cảnh báo)

6. Ví dụ 2: Gửi khoảng cách realtime lên IoTLabs Cloud MQTT

#include <WiFi.h>
#include <WiFiClientSecure.h>
#include <PubSubClient.h>

#define TRIG_PIN 4
#define ECHO_PIN 5

const char* WIFI_SSID = "YOUR_WIFI";
const char* WIFI_PASS = "YOUR_PASS";

const char* MQTT_HOST = "mqtt.iotlabs.vn";
const int MQTT_PORT = 8883;
const char* MQTT_USER = "YOUR_MQTT_USER";
const char* MQTT_PASS = "YOUR_MQTT_PASS";

const char* MQTT_TOPIC =
  "iotlabs/<orgId>/devices/<deviceId>/telemetry";

WiFiClientSecure net;
PubSubClient mqtt(net);

float readDistanceCM() {
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);

  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 30000);
  if (duration == 0) return -1;
  return (duration * 0.034) / 2.0;
}

void connectWiFi() {
  WiFi.begin(WIFI_SSID, WIFI_PASS);
  while (WiFi.status() != WL_CONNECTED) delay(500);
}

void connectMQTT() {
  net.setInsecure();
  mqtt.setServer(MQTT_HOST, MQTT_PORT);
  while (!mqtt.connected()) {
    mqtt.connect("esp32c3-hcsr04", MQTT_USER, MQTT_PASS);
    delay(1000);
  }
}

unsigned long lastSend = 0;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);

  connectWiFi();
  connectMQTT();
}

void loop() {
  if (!mqtt.connected()) connectMQTT();
  mqtt.loop();

  if (millis() - lastSend > 1000) {
    lastSend = millis();

    float d = readDistanceCM();
    if (d < 0) return;

    long ts = millis() / 1000;
    String payload = "{";
    payload += "\"ts\":" + String(ts) + ",";
    payload += "\"metrics\":{";
    payload += "\"distance_cm\":" + String(d, 1);
    payload += "}}";

    mqtt.publish(MQTT_TOPIC, payload.c_str());
    Serial.println(payload);
  }
}

7. Kinh nghiệm thực tế khi dùng HC-SR04

• Không đo tốt với bề mặt mềm (vải, mút)
• Góc phản xạ ảnh hưởng kết quả
• Tránh đặt gần quạt, gió mạnh
• Với môi trường ẩm → sai số tăng

Nếu cần ổn định hơn:

• Lấy trung bình 3–5 lần đo
• Bỏ các giá trị outlier

8. Ứng dụng thực tế

Sau bài này, bạn có thể làm:

• Cảnh báo vật cản
• Đếm người (kết hợp logic)
• Đo mức nước (demo)
• Trigger relay khi khoảng cách < ngưỡng

9. Tổng kết Bài 24

Bạn đã:

• Hiểu nguyên lý đo khoảng cách siêu âm
• Đọc HC-SR04 bằng ESP32
• Gửi dữ liệu realtime lên IoTLabs Cloud
• Áp dụng tư duy telemetry + rule