Thiết bị Theo dõi mực nước ao nuôi thủy sản

1. Giới thiệu

Trong nuôi trồng thủy sản (tôm, cá), mực nước ao/hồ ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe vật nuôi — nước cạn quá gây stress nhiệt và thiếu oxy hòa tan, nước tràn quá gây thất thoát và ô nhiễm khu vực xung quanh. Dự án này dùng cảm biến siêu âm HC-SR04 gắn cố định phía trên mặt ao để đo khoảng cách từ cảm biến xuống mặt nước theo thời gian thực, quy đổi ra phần trăm mực nước, và phát cảnh báo tại chỗ bằng buzzer khi mực nước xuống quá thấp (cần bơm bổ sung) hoặc lên quá cao (nguy cơ tràn/ngập).

Đây là bài toán đo lường không tiếp xúc (non-contact) phù hợp với môi trường ao nuôi vì cảm biến không cần ngâm trong nước, giảm nguy cơ hư hỏng do ăn mòn/đóng cặn so với cảm biến mực nước kiểu phao hoặc điện cực.

2. Linh kiện cần có

3. Sơ đồ kết nối

Lưu ý quan trọng về an toàn phần cứng:

• HC-SR04 xuất xung ECHO ở mức 5V, nhưng GPIO của ESP32 chỉ chịu được tối đa khoảng 3.3V (~3.6V tuyệt đối). Khi triển khai thực tế trên phần cứng thật,

• Bắt buộc phải dùng cầu phân áp điện trở (ví dụ 1kΩ nối tiếp GND qua 2kΩ, lấy điểm giữa vào GPIO27) hoặc module level-shifter trên chân ECHO trước khi nối vào ESP32 nếu không sẽ có nguy cơ làm hỏng chân GPIO/chip về lâu dài.

• Ngoài ra, cảm biến cần được lắp trong hộp chống nước (watertight) khi đặt ngoài trời hoặc trên mặt ao để tránh hư hỏng do mưa/ẩm.

4. Code ví dụ #1 – Đo khoảng cách cơ bản với HC-SR04

#define TRIG_PIN 26
#define ECHO_PIN 27

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

void loop() {
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);

  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 25000);
  float distanceCm = duration * 0.0343 / 2.0;

  if (duration == 0) {
    Serial.println("Khong doc duoc cam bien (timeout)");
  } else {
    Serial.print("Khoang cach: ");
    Serial.print(distanceCm);
    Serial.println(" cm");
  }

  delay(1000);
}

5. Code ví dụ #2 – Cảnh báo buzzer khi mực nước vượt ngưỡng

#define BUZZER_PIN 25

const float DISTANCE_LOW_WATER_CM = 130.0;  // qua xa cam bien = nuoc thap

void setup() {
  pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);
}

void loop() {
  float distanceCm = 140.0; // thay bang gia tri do tu HC-SR04 thuc te

  if (distanceCm > DISTANCE_LOW_WATER_CM) {
    digitalWrite(BUZZER_PIN, HIGH); // canh bao nuoc thap
  } else {
    digitalWrite(BUZZER_PIN, LOW);
  }

  delay(1000);
}

6. Code ví dụ #3 – Ứng dụng thực tế: theo dõi mực nước ao nuôi đầy đủ

/*
  Theo doi muc nuoc ao nuoi thuy san
  Board: ESP32 DevKit V1 (30 pins)
  Cam bien: HC-SR04 (sieu am do khoang cach tu mep ao xuong mat nuoc)
  Canh bao tai cho: Active Buzzer

  Wiring (khop voi diagram tren IoTLabs Maker):
    HC-SR04   TRIG -> GPIO26     ECHO -> GPIO27
              VCC  -> VIN(5V)    GND  -> GND
    Buzzer    IO   -> GPIO25     VCC  -> 3V3   GND -> GND

  LUU Y QUAN TRONG (an toan phan cung):
    HC-SR04 xuat xung ECHO muc 5V nhung GPIO ESP32 chi chiu duoc toi da 3.3V (~3.6V).
    Trien khai thuc te BAT BUOC dung cau phan ap tro (vi du 1kOhm + 2kOhm) tren chan ECHO
    truoc khi noi vao GPIO27, neu khong se co nguy co hong chan GPIO/chip ve lau dai.
    Ngoai ra can op ky watertight cho dau do khi lap ngoai troi/tren mat ao.

  Nguyen ly do muc nuoc:
    distance_cm = khoang cach tu cam bien (gan mieng ao) xuong mat nuoc.
    muc nuoc CAO  <-> distance_cm NHO (nuoc gan cam bien)
    muc nuoc THAP <-> distance_cm LON (nuoc xa cam bien)
  Canh bao khi muc nuoc qua thap (can bom bo sung) hoac qua cao (nguy co tran/ngap).
*/

#define TRIG_PIN 26
#define ECHO_PIN 27
#define BUZZER_PIN 25

// Hieu chinh theo kich thuoc ao thuc te (khoang cach tu cam bien den day/mep ao)
const float SENSOR_TO_EMPTY_CM = 150.0; // khoang cach khi ao can (muc nuoc = 0%)
const float SENSOR_TO_FULL_CM  = 20.0;  // khoang cach khi ao day (muc nuoc = 100%)

const float LOW_LEVEL_ALERT_PCT  = 20.0;  // canh bao muc nuoc thap
const float HIGH_LEVEL_ALERT_PCT = 95.0;  // canh bao muc nuoc qua cao / sap tran

const unsigned long MEASURE_INTERVAL_MS = 3000;
const unsigned long PULSE_TIMEOUT_US = 25000; // ~4.3m, du cho khoang cach thuc te trong ao

unsigned long lastMeasure = 0;
bool sensorTimeoutSeen = false;

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

  unsigned long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, PULSE_TIMEOUT_US);
  if (duration == 0) {
    return -1.0; // timeout / khong doc duoc - cam bien mat ket noi hoac ngoai tam
  }
  return duration * 0.0343 / 2.0; // toc do am thanh ~343 m/s
}

void setBuzzer(bool on) {
  digitalWrite(BUZZER_PIN, on ? HIGH : LOW);
}

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  delay(300);
  Serial.println();
  Serial.println(F("=== Theo doi muc nuoc ao nuoi IoTLabs - Boot OK ==="));

  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
  pinMode(BUZZER_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  setBuzzer(false);

  Serial.println(F("HC-SR04 + Buzzer san sang. Bat dau do muc nuoc dinh ky."));
}

void loop() {
  unsigned long now = millis();
  if (now - lastMeasure < MEASURE_INTERVAL_MS) {
    return;
  }
  lastMeasure = now;

  float distanceCm = measureDistanceCm();

  if (distanceCm < 0) {
    sensorTimeoutSeen = true;
    setBuzzer(false); // khong doan canh bao khi khong co du lieu tin cay
    Serial.println(F("{\"distance_cm\":null,\"level_pct\":null,\"alert\":null,\"status\":\"sensor_timeout\"}"));
    return;
  }
  sensorTimeoutSeen = false;

  // Quy doi khoang cach -> % muc nuoc, gioi han 0-100
  float levelPct = (SENSOR_TO_EMPTY_CM - distanceCm) /
                    (SENSOR_TO_EMPTY_CM - SENSOR_TO_FULL_CM) * 100.0;
  if (levelPct < 0) levelPct = 0;
  if (levelPct > 100) levelPct = 100;

  const char* alert = "normal";
  bool buzzerOn = false;
  if (levelPct <= LOW_LEVEL_ALERT_PCT) {
    alert = "low_water";
    buzzerOn = true;
  } else if (levelPct >= HIGH_LEVEL_ALERT_PCT) {
    alert = "high_water";
    buzzerOn = true;
  }
  setBuzzer(buzzerOn);

  Serial.print(F("{\"distance_cm\":"));
  Serial.print(distanceCm, 1);
  Serial.print(F(",\"level_pct\":"));
  Serial.print(levelPct, 1);
  Serial.print(F(",\"alert\":\""));
  Serial.print(alert);
  Serial.println(F("\",\"status\":\"ok\"}"));
}

7. Lỗi thường gặp

8. Tổng kết

Hệ thống theo dõi mực nước ao nuôi này giúp phát hiện sớm tình trạng nước quá thấp hoặc quá cao mà không cần cảm biến tiếp xúc trực tiếp với nước, phù hợp với môi trường ao nuôi thủy sản khắc nghiệt.

Cảnh báo tại chỗ bằng buzzer đảm bảo người vận hành biết ngay cả khi không có kết nối mạng.

Có thể mở rộng bằng cách gửi dữ liệu mực nước qua MQTT lên dashboard giám sát nhiều ao cùng lúc, hoặc tích hợp điều khiển bơm nước tự động qua relay khi mực nước xuống dưới ngưỡng an toàn.