Tự động hóa trong canh gác

TỰ ĐỘNG HÓA TRONG CANH GÁC Trong số chúng ta, ai đã sống qua thời kỳ đánh Mỹ hẳn đã từng nghe tới hàng rào (điện tử) Mac Namara mà Mỹ đã lập ra ở phía Bắc tỉnh Quảng Trị. Với các cây nhiệt đới, các cảm biến âm thanh, cảm biến hồng ngoại, những nhân viên thám sát ở tận Biên Hòa có thể cảm nhận, thậm chí đếm từng đoàn xe vận tải chở vũ khí, đạn dược vào Nam, đếm từng đoàn người (bộ đội, thanh niên xung phong) hành quân ra tiền tuyến, để rồi từ đó đưa ra những lệnh oanh kích khốc liệt. Ngày 13 tháng Tám năm nay, nước Đức kỷ niệm 50 năm ngày xây bức tường rào Đông-Tây Berlin. Bên cạnh những bức tường bằng gạch hoặc bê tông kiên cố, hàng rào Một đoạn hàng rào Đông Tây Berlin. có nhiều đoạn chỉ là những khoảng trống với các hàng rào theo đúng nghĩa của nó (xem ảnh). Nếu ai đó xem thường hiệu lực của những biển cảnh báo “cố tình vượt qua hàng rào này có thể bị bắn!” mà vượt qua khoảng trống cạnh hàng rào thì lập tức ăn đạn được tự động bắn ra từ nhiều phía. Những đoạn hàng rào điện-điện tử với những con mắt hồng ngoại đã thường xuyên canh gác và giảm nhẹ sự làm việc căng thẳng của con người. Tiếp theo là ai đã qua những khóa huấn luyện bộ binh dài ngày hẳn cũng khó quên những đêm phải học tuần tra canh gác. Một mình căng mắt nhìn vào màn đêm, vừa sợ ma, sợ “quân địch” và sợ chính chỉ huy của mình cải trang đi kiểm tra. Khi đó mới thấu hiểu sự căng thẳng của công việc canh gác và thầm ước mong có cách gì thay thế được người canh gác. Thực tế cho thấy ở đâu công việc lao động làm cho con người cảm thấy vất vả, căng thẳng thì nơi ấy dễ trở thành mảnh đất màu mỡ cho việc áp dụng kỹ thuật tự động hóa. Trong lĩnh vực canh gác, tự động hóa dẫn đến sự ra đời của các hàng rào điện và sau đấy là hàng rào điện tử. Những hàng rào điện ra đời gần đây cũng chứa nhiều thành tựu của công nghệ mới như: cao áp, vật liệu cách điện, điều chế độ rộng xung, truyền và lưu trữ ảnh động. Gần đây cũng xuất hiện những hàng rào thông minh. Bài viết này không đề cập đến những mạch điện hoặc linh kiện cụ thể mà chỉ muốn giới thiệu một cách nhìn rộng mở về mảng ứng dụng còn được ít người quan tâm đến của tự động hóa. Hàng rào điện là gì ? Hàng rào điện là một hàng rào sử dụng sốc điện (shocks) để ngăn chặn động vật hoặc con người vượt qua một đường ranh giới nào đấy. Điện áp gây sốc có thể tác động trong phạm vi từ mức gây khó chịu tới bị thương, thậm chí là gây chết người. Ngày nay, phần lớn hàng rào điện được sử dụng để phục vụ ngành nông nghiệp cụ thể là cho mục đích kiểm soát sự di chuyển của động vật, phần còn lại thường được sử dụng để tăng độ an toàn cho những khu vực quan trọng hoặc nhạy cảm, có những nơi điện áp gây chết người đã được sử dụng. Hàng rào điện được thiết kế để tạo ra một mạch điện khép kín khi mà con người hoặc động vật chạm vào. Một bộ phận được gọi là bộ tiếp năng lượng (energizer) đóng vai trò biến đổi năng lượng sang một xung điện áp cao. Một đầu của bộ tiếp năng lượng được nối với một dây dẫn cách điện và phát một xung điện trong từng giây; một đầu khác thì được nối với một cột kim loại cắm vào đất. Khi người hoặc động vật chạm vào cả dây lối ra và đất trong một thời gian ngắn sẽ tạo nên một mạch điện kín dẫn xung điện và gây ra sốc điện. Ảnh hưởng của sốc điện phụ thuộc vào điện áp, năng lượng của xung, mức độ tiếp xúc của người hoặc động vật với hàng rào. Khi tạo ra đường dẫn dòng điện truyền qua cơ thể tới đất, xung điện có thể gây ra một sự khó chịu vừa đủ, bị thương hoặc trong một số trường hợp hàng rào có thể gây chết người. Hàng rào dùng bộ tích điện Ban đầu bộ cấp điện cho hàng rào dùng điện xoay chiều, sử dụng máy biến thế và một công tác điều khiển theo cách cơ học để tạo ra các xung điện. Các xung được tạo ra bởi hệ thống này có độ rộng xung lớn và điện áp là không thể đoán trước được, khi không có tải điện áp có thể vượt quá 10.000V và nhanh chóng sụt đi khi có sự rò rỉ dòng điện ở hàng rào. Hệ thống đóng ngắt cơ học đã tồn tại trong thời gian ngắn, sau đó người ta đã thay thế công tắc cơ điện bằng mạch bán dẫn, nhờ vậy làm tăng tuổi thọ và loại bỏ được thao tác bảo dưỡng nhưng không có sự thay đổi gì về độ rộng xung và điện áp điều khiển. Các bộ nạp điện hàng rào trở kháng thấp hiện đại sử dụng một dạng thiết kế khác. Một tụ điện được nạp khi một cực của mạch điện tiếp xúc với người hoặc động vật có chân được “tiếp đất”, sau đấy điện tích được giải phóng qua một mạch sử dụng thirixto hoặc một linh kiện bán dẫn tương tự. Điện áp phù hợp được tạo ra bởi lối ra điều khiển điện tích trong một giới hạn của công suất lối ra. Độ rộng xung tương đối hẹp, thường vào khoảng 10 micrô giây. Thiết kế này làm việc với nguồn nuôi từ acqui hoặc nguồn nắn từ lưới điện. Tùy thuộc vào từng khu vực được rào và sự cách biệt của nó, hàng rào điện có thể được cấp điện thường xuyên hoặc gián đoạn, và thường được nuôi bằng nguồn acqui chì hoặc pin khô hoặc là một bộ acqui nhỏ hơn được nạp điện bởi một tấm pin mặt trời. Công suất tiêu thụ của hàng rào trong điều kiện làm việc bình thường là nhỏ, do đó một acqui chì có thể cung cấp điện cho hàng trăm mét rào trong vài tuần. Khi thời gian sử dụng ngắn người ta dùng acqui khô để cấp điện. Một vài hàng rào còn được bố trí một hay nhiều nguồn dự phòng. Vật liệu làm hàng rào Vật liệu làm hàng rào thường dùng là dây thép một sợi hoặc nhiều sợi xoắn vào nhau hoặc kết hợp với một cơ cấu làm căng dây. Đôi khi người ta cũng sử dụng dây kẽm gai để tạo ra một hàng rào nguy hiểm hơn, đặc biệt nếu một người hoặc động vật vướng phải, tuy vậy có nước quy định việc sử dụng dây kẽm gai dẫn điện là bất hợp pháp. Hàng rào điện phải luôn được cách ly với đất và bất kỳ vật gì bởi nếu không sẽ gây ra cháy hoặc là ngắn mạch. Khi làm hàng rào cần phải tránh xa cây cối và không để cho hàng rào chạm trực tiếp vào gỗ hoặc các cột trụ kim loại. Khi sử dụng cần phải bọc chúng bằng nhựa hoặc sứ, hoặc là sử dụng các cột làm bằng nhựa. Vài nét về lịch sử Từ năm 1870, trong cuốn sách khoa học giả tưởng “Hai vạn dặm dưới biển”, tác giả Jules Verne đã miêu tả việc sử dụng của một cấu trúc nhiễm điện giống như một vũ khí phòng thủ. Khái niệm hàng rào điện cũng được miêu tả trong tác phẩm “A connecticut Yankee in King Arthur’s Court” của Mark Twain năm 1889, như một lá chắn phòng thủ. David H. Wilson giành được bằng phát minh ở Hoa Kỳ vào năm 1886, cho một thiết bị bảo vệ kết hợp giữa chuông báo động và truyền thông qua điện thoại. Ông đã xây dựng để làm thí nghiệm một hàng rào điện dài 30 dặm ở Texas vào năm 1888, nhưng đã không thành công. Năm 1906, quân đội Nga đã cải tiến hàng rào điện trong suốt chiến tranh Nga-Nhật ở cảng Arthur. Năm 1915, trong suốt chiến tranh thế giới thứ nhất, hàng rào điện của quân đội Đức dọc biên giới giữa Bỉ và Hà Lan để ngăn cản sự di chuyển bất hợp pháp của dòng người qua biên giới. Hàng rào trải dài 300km với vài sợi dây đồng có điện áp cung cấp lên đến hàng ngàn vôn. Ước tính khoảng 3.000 người bất hạnh đã thiệt mạng bởi hàng rào này đồng thời cũng là nguyên nhân gây ra cái chết của nhiều vật nuôi. Hàng rào điện được sử dụng ở Mỹ những năm đầu của thập niên 30 với mục đích kiểm soát vật nuôi và công nghệ hàng rào điện đã phát triển cả ở Mỹ và New Zealand. Một trong những ứng dụng sớm nhất của hàng rào điện được phát triển năm 1936-1937 bởi nhà phát minh người New Zealand có tên William “Bill” Gallagher Sr. Built từ một cuộn đánh lửa và một máy phát điện dùng cho ô tô. Gallgher đã sử dụng thiết bị này để giữ ngựa của ông ta không cho làm xước ô tô. Về sau ông đã mở một công ty để cải tiến và bán thiết kế của mình. Năm 1962, một nhà phát minh New Zealand khác, tên là Doug Phillips, đã phát minh ra hàng rào điện chống được ngắt mạch dựa trên sự phóng điện của tụ. Điều này cải thiện một cách đáng kể phạm vi hoạt động của hàng rào điện nên có thể được sử dụng từ vài trăm mét đến 20km, đồng thời giảm giá thành hơn 80%. Hàng rào điện chống được ngắt mạch đã được cấp bằng sáng chế bởi Phillips và vào năm 1964 đã được chế tạo bởi Plastic Products, một công ty ở New Zealand, dưới cái tên “Hàng rào điện Waikato”. Trong sản phẩm này các chi tiết bằng gốm đã được thay thế bằng nhựa cách điện. Ngày nay, nhiều chi tiết bằng nhựa cách điện được sử dụng ở các hàng rào nông trại trên toàn thế giới. Vào năm 1939, những người quan tâm đến vấn đề an toàn ở Mỹ đã thúc đẩy Underwriters Laboratories để công bố một văn bản về sự sốc điện do hàng rào điện gây ra, dẫn đến sự ra đời một tiêu chuẩn (có tên ANSI/UL No. 69) cho bộ điều khiển hàng rào điện. Năm 1969 Robert B. Cox, một nông dân ở Adams County, Iowa, đã phát minh ra một hàng rào điện cải tiến dưới dạng giá đỡ (bracket) và đã được công nhận là sáng chế ở Mỹ vào năm 1970. Giá đỡ này cải thiện hàng rào điện bằng việc giữ nó đủ cao so với đất và cách xa hàng rào để cho phép cỏ có thể phát triển phía dưới dây. Giá đỡ được gắn với cột trụ bằng các chi tiết được thiết kế đặc biệt. Hàng rào điện được cải tiến liên tục qua năm tháng theo các hướng sau: * Dùng nhựa cách điện polyethylene thay thế cho sứ cách điện, bắt đầu vào những năm 1960. Nhựa polyethylene có giá rẻ hơn nhiều so với sứ và ít có khả năng bị vỡ hơn. * Sự cải thiện trong thiết kế điện của bộ phận cấp điện cho hàng rào. * Những thay đổi trong luật pháp. Do quy định của pháp luật, một số loại hàng rào bị xem là bất hợp pháp cho đến những năm 50 hoặc 60 của thế kỷ trước. Trong một số nước lại đưa ra những hạn chế đã giới hạn khả năng sử dụng. Thí dụ một số thành phố ở Mỹ đưa ra những quy định lỗi thời về hàng rào điện để ngăn chặn việc đưa những hàng rào điện dùng trong nông nghiệp vào lắp đặt trong thành phố. Houston là một thí dụ đã thay đổi sắc lệnh ngăn cấm hàng rào điện vào năm 2008. * Cho ra đời hàng rào dây thép có độ căng giãn cao trong những năm 70 (của thế kỷ trước) ở New Zealand và những năm 80 ở Mỹ. Một hàng rào điện dùng để ngăn động vật nuôi. Một hàng rào điện ở Nam Phi bảo vệ đường đi bộ chống động vật hoang dã. * Thiết kế ra những bộ phận hàng rào điện có khả năng di chuyển. Ứng dụng trong nông nghiệp Hàng rào điện vĩnh cửu được sử dụng trong nhiều vùng đất nông nghiệp bởi chi phí xây dựng nó thường rẻ hơn và nhanh hơn so với những hàng rào truyền thống (hàng rào điện sử dụng những dây kim loại đơn giản và việc xây dựng dễ dàng hơn nhiều vì nó không cần phải trực tiếp ngăn cản động vật). Nguy cơ làm bị thương cho vật nuôi (đặc biệt là ngựa) lại thấp so với hàng rào làm bằng dây kẽm gai hoặc là một loại lưới mắt cáo (còn gọi là lưới B40) với những lỗ hổng có kích thước lớn có thể làm vướng chân động vật. Điểm bất lợi của hàng rào điện là điện thế trên toàn bộ hàng rào sẽ không còn tác dụng nếu dây dẫn bị đứt, hoặc ngắn mạch hoặc tiếp xúc với những vật ẩm ướt như cành và lá cây, thậm chí có nguy cơ cháy khi cỏ khô chạm vào dây dẫn. Ngoài ra, hàng rào điện dễ làm cho những người sơ ý không nhìn thấy và điện áp gây sốc điện cho những người không qua đường tình cờ chạm phải hàng rào. Rất nhiều hàng rào được làm bằng các dây căng và nhẵn, tuy nhiên những vật liệu tổng hợp có chất lượng cao cũng bắt đầu được sử dụng làm các hàng rào vĩnh cửu, đặc biệt khi cần chú ý đến khả năng nhìn thấy bằng mắt. Một vài loại hàng rào truyền thống dùng trong nông nghiệp có thể được nâng cấp bằng việc gắn thêm vào một dây điện trên đỉnh hoặc phía trước hàng rào. Một dây tương tự được căng gần mặt đất có thể được sử dụng để ngăn lợn đào hố dưới hàng rào. Bằng cách lập những hàng rào điện tạm thời, một vùng đất lớn có thể được cách ly trong một khoảng thời gian ngắn. Khi cần một khu vực với thời gian sử dụng lâu hơn, cỡ vài tuần hoặc vài tháng thì hàng rào có thể được củng cố bằng việc sử dụng những cột thép chữ T (có thể nhanh chóng được rào bởi các công cụ bằng tay) để giữ cho hàng rào thẳng đứng hoặc lượn đúng góc. Những bộ phóng điện di động được dùng cho những hàng rào tạm thời được cung cấp năng lượng chỉ bởi các acqui, hoặc một acqui được tích điện bởi những tấm pin mặt trời nhỏ. Để nhanh chóng lắp đặt hoăc tháo gỡ những hàng rào tạm thời người ta có thể sử dụng guồng quay gắn vào một máy kéo hoặc xe địa hình. Với cừu, gà, vịt và những con vật nhỏ hơn, lưới điện dán trên chất dẻo có thể được gắn vào các cọc cách điện, điều này cũng có tác dụng ngăn cản những động vật ăn thịt như cáo. Cũng nên nhắc đến là phần lớn các động vật cũng biết học cách tránh xa hàng rào sau những lần va chạm vào chúng, thậm chí khi hàng rào điện không hoạt động. Tuy nhiên một số động vật lại tìm cách tránh các sốc điện bằng việc chạy nhanh dưới hàng rào giữa những lần xuất hiện xung hoặc bằng việc đẩy các con vật khác qua hàng rào. Nhiều động vật có bộ lông dày (như cừu hoặc gia súc ở cao nguyên) có thể học cách tự lăn qua hàng rào để sử dụng bộ lông như một lớp chất cách điện. Một vài động vật cũng học cách nhận ra những âm thanh lách tách được tạo ra bởi xung điện và qua đó chúng có thể cảm nhận được khoảng thời gian dòng điện ngắt. Trong ứng dụng để quản lý động vật hoang dã, hàng rào điện tỏ ra thực sự có ích trong việc kiểm soát sự di chuyển của động vật hoang dã. Những thí dụ có thể kể ra là: ngăn cản những con hươu nai xâm phạm lãnh thổ, giữ cho động vật tránh xa sân bay, hạn chế những con lợn lòi tấn công mùa màng, ngăn chặn những con ngỗng ra khỏi những vùng đất thuộc quyền sử dụng của một ông chủ. Ở châu Phi và châu Á, hàng rào điện cũng được sử dụng trong bảo vệ môi trường để giảm sự giao tranh giữa voi và những động vật khác, thậm chí cả với con người. Một đoạn hàng rào Hàng rào điện ở một sân điện ở trại giam. bay. Ứng dụng trong an ninh Hàng rào được phân loại theo tiêu chí gây chết hoặc không gây chết người. Hàng rào không gây chết người (non-lethal) được sử dụng bởi cá nhân hoặc Chính phủ để ngăn chặn sự xâm phạm các khu vực quan trọng như: kho bãi hàng hóa, bãi để ô tô, sân bay, trại giam, ngân hàng, nhà in tiền, căn cứ quân sự và các tòa nhà Chính phủ. Nhiều trong số đó hoạt động như một thiết bị giám sát hệ thống và gây ra choáng kết hợp với chuông báo động. Đôi khi hàng rào điện cũng được dùng để ngăn chặn những vụ tự sát trên các công trình cao và giảm tỷ lệ rơi của những tên trộm vặt. Hàng rào gây chết người Hàng rào điện được thiết kế để mang dòng điện có khả năng gây chết người có thể được sử dụng cho những mục đích an ninh. Từ năm 1915, nghĩa là trong chiến tranh thế giới thứ nhất, Đức đã xây dựng 300 km hàng rào điện nối hai thành phố Vaals và Scheldt để ngăn cách phần nước Bỉ bị Đức chiếm đóng với Hà Lan. Về sau, hàng rào điện đã được sử dụng để bảo vệ ở các trại tập trung của Đức Quốc xã trong suốt chiến tranh thế giới thứ 2, nơi mà dòng điện và điện áp ở mức gây chết người được sử dụng liên tục chứ không phải ở chế độ xung. Ngược lại, một vài tù nhân sử dụng dây dẫn điện ở hàng rào để tự tử. Trong suốt chiến tranh ở Angiêri, người Pháp đã xây dựng một hàng rào điện có tên là Morice. Thời nước Đức còn chia cắt, một vài khu vực bên trong biên giới Đức được vạch thành hàng với những hàng rào điện cao tới 3m để ngăn cản những phần tử vượt biên từ phía Đông Đức. Ngày nay, hàng rào điện tiếp tục được sử dụng như một biện pháp không thể thiếu ở những trại giam cần có độ an toàn và những căn cứ quân sự. Một cách điển hình, một hàng rào không có điện được xây dựng ở cả hai mặt của những căn cứ như thế, hoặc một dòng điện chết người được thực hiện một cách ngẫu nhiên ở mặt trên cùng của bức tường. Bắc Triều Tiên cũng sử dụng hàng rào điện ở khu vực ngăn cách với Hàn Quốc. Một hàng rào điện thế hệ mới. Các ứng dụng khác Những cải tiến gần đây dẫn đến sự xuất hiện những hàng rào điện giám sát nhằm xác định thời điểm có kẻ xâm phạm mới cho cấp một dòng điện gây sốc để ngăn cản sự xâm phạm. Các hàng rào đó có thể được sử dụng kết hợp với một trung tâm giám sát có sử dụng camera và còi báo động, thậm chí gửi tin nhắn SMS đến những người có trách nhiệm. Đây chính là những hàng rào được gọi là thông minh. Một loại hàng rào điện khác được chôn dấu (còn gọi là hàng rào vô hình hoặc là “hàng rào điện tử”) đôi khi được sử dụng để giam giữ chó hoặc vật nuôi. Những dây được chôn thường xuyên bức xạ ra những tín hiệu sóng vô tuyến có cường độ yếu, các sóng này tác động lên vòng đeo ở cổ động vật. Các vòng cổ này phát ra tiếng động cảnh báo mỗi khi động vật đến gần dây giới hạn. Trong một hệ thống tương tự, vòng đai sử dụng tín hiệu GPS để định vị hàng rào mà không cần hệ thống máy móc vật lý phức tạp. Cuối cùng còn một điểm đáng lưu ý là nhiễu và những hiệu ứng không mong muốn xuất hiện khi sử dụng hàng rào điện. Do thiết kế sơ sài hoặc khả năng bảo trì hàng rào điện không tốt có thể tạo sự giao thoa điện từ gây ảnh hưởng tới sự hoạt động của điện thoại, việc thu sóng phát thanh và phát hình gần đó và gây ra một vấn đề mang tính đặc thù cho những người sử dụng Internet qua đường điện thoại ở một số vùng nông thôn.