Giao thức 1-Wire: Nguyên lý và ứng dụng (DS18B20)

1. Giới thiệu

1-Wire là giao thức nối tiếp bán song công (half-duplex) do Dallas Semiconductor phát triển, đặc trưng bởi việc chỉ dùng đúng 1 dây DATA cho cả gửi lệnh từ master lẫn nhận dữ liệu từ slave (cộng thêm GND làm mass chung). Giống I2C, đây là bus open-drain nên bắt buộc có điện trở pull-up (thường 4.7kΩ) giữa DATA và nguồn dương — nếu thiếu, bus sẽ luôn đọc mức thấp và không giao tiếp được.

Điểm khác biệt cốt lõi so với I2C: mỗi chip 1-Wire có sẵn địa chỉ ROM 64-bit duy nhất trên toàn thế giới, được ghi tại nhà máy (8 bit family code + 48 bit serial number + 8 bit CRC), không cần cấu hình như địa chỉ I2C 7-bit. Nhờ vậy có thể gắn hàng chục cảm biến DS18B20 lên chung 1 dây DATA mà vẫn đọc riêng từng con bằng địa chỉ ROM, mà không lo trùng địa chỉ như I2C. Bài này đọc nhiệt độ từ 1 cảm biến DS18B20 qua GPIO4 của ESP32 DevKit.

2. Linh kiện cần có

3. Sơ đồ kết nối

Điện trở 4.7kΩ nối giữa chân DATA (GPIO4) và 3V3 — đây là pull-up bắt buộc, không phải tuỳ chọn: thiếu điện trở này, dây DATA luôn ở mức thấp (do open-drain) và sensors.getDeviceCount() sẽ luôn trả về 0.

4. Code ví dụ #1 — Đọc nhiệt độ, in địa chỉ ROM

Sketch dùng thư viện OneWire + DallasTemperature, dò tìm số thiết bị trên bus bằng sensors.getDeviceCount(), in ra địa chỉ ROM 64-bit của cảm biến đầu tiên, đặt độ phân giải 12-bit rồi đọc nhiệt độ mỗi 2 giây.

/*
  Giao thức 1-Wire: Nguyên lý và ứng dụng — Ví dụ #1: Đọc nhiệt độ DS18B20
  Board: ESP32 DevKit V4 + DS18B20 (1-Wire) + điện trở kéo lên 4.7kΩ

  Sơ đồ:
    DS18B20 VCC  -> 3V3
    DS18B20 GND  -> GND
    DS18B20 DATA -> GPIO4  (đồng thời nối qua điện trở 4.7kΩ len 3V3 - pull-up
                             bắt buộc vì 1-Wire là bus open-drain)

  1-Wire cho phép nhiều cảm biến DS18B20 dùng chung 1 dây DATA, phân biệt
  nhau bằng địa chỉ ROM 64-bit duy nhất được ghi sẵn trong từng chip (khác
  I2C dùng địa chỉ 7-bit cấu hình bằng phần cứng/phần mềm).
*/

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define ONE_WIRE_PIN 4

OneWire oneWire(ONE_WIRE_PIN);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

DeviceAddress sensorAddress;
bool sensorFound = false;

void printAddress(DeviceAddress addr) {
  for (uint8_t i = 0; i < 8; i++) {
    if (addr[i] < 16) Serial.print('0');
    Serial.print(addr[i], HEX);
  }
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(300);
  Serial.println(F("=== DS18B20 1-Wire demo boot ==="));

  sensors.begin();
  uint8_t count = sensors.getDeviceCount();
  Serial.printf("So thiet bi 1-Wire tim thay tren bus: %u\n", count);

  if (count > 0 && sensors.getAddress(sensorAddress, 0)) {
    sensorFound = true;
    Serial.print(F("Dia chi ROM 64-bit cua cam bien #0: "));
    printAddress(sensorAddress);
    Serial.println();
    sensors.setResolution(sensorAddress, 12); // do phan giai 12-bit (~750ms/lan doc)
  } else {
    Serial.println(F("[WARN] Khong tim thay DS18B20 - kiem tra pull-up 4.7k va day DATA"));
  }
}

void loop() {
  static unsigned long lastRead = 0;
  if (millis() - lastRead >= 2000) {
    lastRead = millis();

    sensors.requestTemperatures(); // gui lenh convert T tren bus 1-Wire

    if (sensorFound) {
      float tempC = sensors.getTempC(sensorAddress);
      if (tempC == DEVICE_DISCONNECTED_C) {
        Serial.println(F("[WARN] Cam bien mat ket noi giua chung"));
      } else {
        Serial.printf("Nhiet do: %.2f C (do phan giai 12-bit)\n", tempC);
      }
    } else {
      Serial.println(F("Khong co cam bien de doc"));
    }
  }
}

5. Code ví dụ #2 — Ứng dụng thực tế: cảnh báo ngưỡng nhiệt độ

Biến thể thứ hai dùng chân LED onboard GPIO2 để bật cảnh báo khi nhiệt độ vượt ngưỡng 30°C — mô phỏng ứng dụng giám sát nhiệt độ thực tế (tủ điện, máy chủ, bể nuôi trồng).

/*
  Giao thức 1-Wire — Ví dụ #2: Ứng dụng thực tế — Cảnh báo ngưỡng nhiệt độ
  Board: ESP32 DevKit V4 + DS18B20 (DATA=GPIO4, pull-up 4.7kΩ len 3V3)
  Mô phỏng ứng dụng: bật LED onboard (GPIO2) khi nhiệt độ vượt ngưỡng.
*/

#include <OneWire.h>
#include <DallasTemperature.h>

#define ONE_WIRE_PIN 4
#define ALERT_LED_PIN 2
#define TEMP_THRESHOLD_C 30.0F

OneWire oneWire(ONE_WIRE_PIN);
DallasTemperature sensors(&oneWire);

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(300);
  Serial.println(F("=== DS18B20 canh bao nguong nhiet do ==="));

  pinMode(ALERT_LED_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(ALERT_LED_PIN, LOW);

  sensors.begin();
  Serial.printf("Nguong canh bao: %.1f C\n", TEMP_THRESHOLD_C);
}

void loop() {
  sensors.requestTemperatures();
  float tempC = sensors.getTempCByIndex(0);

  if (tempC == DEVICE_DISCONNECTED_C) {
    Serial.println(F("[WARN] Khong doc duoc cam bien - kiem tra day 1-Wire"));
    digitalWrite(ALERT_LED_PIN, LOW);
  } else {
    bool alert = tempC >= TEMP_THRESHOLD_C;
    digitalWrite(ALERT_LED_PIN, alert ? HIGH : LOW);
    Serial.printf("Nhiet do: %.2f C -> LED canh bao: %s\n", tempC, alert ? "BAT" : "TAT");
  }

  delay(2000);
}

6. Ứng dụng thực tế & mở rộng

1-Wire với địa chỉ ROM 64-bit sẵn có (không cần cấu hình) rất phù hợp cho hệ thống đo nhiệt độ nhiều điểm: dây điện dài chạy qua nhiều phòng/tủ điện, mỗi điểm gắn 1 DS18B20 — tất cả dùng chung 1 dây DATA về board trung tâm mà không lo trùng địa chỉ.

Ứng dụng phổ biến: giám sát nhiệt độ kho lạnh nhiều điểm, hệ thống sưởi sàn, giám sát nhiệt độ pin/tủ điện. DS18B20 còn hỗ trợ "parasite power" (lấy điện trực tiếp từ dây DATA, bỏ luôn dây VCC) — hữu ích khi cần kéo dây rất dài và tối giản số dây, dù cấu hình này yêu cầu MOSFET pull-up mạnh hơn trong code.

7. Lỗi thường gặp

8. Tổng kết

1-Wire là lựa chọn tối giản số dây nhất trong 3 giao thức (chỉ 1 dây DATA), nhờ địa chỉ ROM 64-bit có sẵn từ nhà máy nên không cần cấu hình địa chỉ như I2C.

Đánh đổi là tốc độ thấp và giao thức phức tạp hơn ở tầng thấp (timing chính xác theo micro giây), nhưng các thư viện như OneWire/DallasTemperature đã che giấu hết độ phức tạp đó. Đây là lựa chọn kinh điển cho cảm biến nhiệt độ phân tán, dây dài, nhiều điểm đo.