Development of Electric Fence Fault Sensing and Monitoring System with LoRaWAN IoT

Abstract

The persistent challenge of Human-Elephant Conflict (HEC) in regions like Malaysia necessitates robust and efficient mitigation strategies. Electric fences are effective but often face maintenance inefficiencies due to delayed fault detection. This study presents a smart electric fence monitoring system designed for real-time fault diagnosis and localisation. The system employs IoT-enabled in-place sensor nodes comprising 10 kV voltage sensors, short-circuit detection sensors, and 3-axis gyroscope sensors. Sensor data is transmitted via a LoRaWAN network, selected for its long-range, low-power characteristics, which are well-suited to rural, low-bandwidth environments where electric fences are typically deployed. Field validation of a 50 m, 10 kV, 6 A electric fence segment achieved 100% voltage and short-circuit detection rates and 99.91% gyroscope tilt accuracy. Reliable data transmission was maintained up to 1.3 km, with an RSSI of -110 dBm, in campus environments with concrete obstructions. Supplementary testing at the same positions using antennas at increased height yielded an RSSI of -79 dBm, with a 41 dB link margin, highlighting the potential for range scaling in future work. The system has so far been validated on a short 50 m electric fence segment with a practical LoRaWAN range of 1.3 km under campus conditions, indicating the need for further optimisation and field-scale trials. The system provides a practical solution for the Department of Wildlife and National Parks, Peninsular Malaysia (PERHILITAN), with direct application to their Sistem Pagar Elektrik Gajah (SPEG) for HEC mitigation. Beyond this application, the approach demonstrates potential for future use of IoT-based Structural Health Monitoring (SHM) concepts in resource-constrained rural infrastructures. 

ABSTRAK: Cabaran berterusan Konflik Manusia-Gajah (HEC) di kawasan seperti Malaysia memerlukan strategi mitigasi yang kukuh dan berkesan. Pagar elektrik berkesan dalam menangani konflik ini, tetapi sering berhadapan masalah penyelenggaraan akibat kelewatan pengesanan kerosakan pada pagar. Kajian ini membentangkan satu sistem pemantauan pagar elektrik pintar yang direka bagi mengdiagnosis penentuan lokasi kerosakan secara masa nyata. Sistem ini menggunakan nod pengesan dengan keupayaan internet benda terdiri daripada pengesan voltan 10 kV, pengesan pengesanan litar pintas, dan pengesan giroskop. Data pengesan dihantar melalui rangkaian LoRaWAN, yang dipilih atas dasar rangkaian jarak jauh dan penggunaan tenaga minimal. Ciri-ciri ini dianggap bersesuaian bagi persekitaran luar bandar di mana pagar elektrik biasanya dipasang, kerana kawasan ini seringkali tidak mendapat rangkaian telekomunikasi komersial. Ujian lapangan pada segmen pagar elektrik sepanjang 50 m, 10 kV 6 A telah berjaya mengesan voltan dan litar pintas dengan ketepatan 100%, manakala pengesan giroskop pula mampu mengesan kecondongan pada kadar 99.91%. Penghantaran data daripada pengesan pula berjaya mencapai jarak maximum 1.3 km dengan RSSI -110 dBm dalam persekitaran kampus dengan penghalang konkrit. Ujian sampingan penghantaran data yang dilaksanakan menggunakan antena berkedudukan tinggi pada lokasi dan jarak yang sama pula, menunjukkan RSSI -79 dBm dengan margin pautan 41 dB. Ini menunjukkan potensi peningkatan jarak penghantaran data untuk kajian seterusnya. Pasa masa ini, sistem ini telah disahkan kepenggunaanya bagi segmen pagar elektrik pendek dengan kepanjangan 50 m, manakala penghantaran data secara berkesan dihadkan pada 1.3 km dalam persekitaran kampus. Had ini menunjukkan, wujud keperluan bagi kerja-kerja penambah baikan bagi meningkatkan kadar keberkesanan melalui ujian berskala lapangan pada masa depan. Sistem ini menyediakan penyelesaian kejuruteraan yang praktikal untuk Jabatan Perlindungan Hidupan Liar dan Taman Negara Semenanjung Malaysia (PERHILITAN), dengan aplikasi langsung pada Sistem Pagar Elektrik Gajah (SPEG) bagi mitigasi HEC. Kajian ini juga menunjukkan potensi bagi penggunaan konsep Pemantauan Kesihatan Struktur (SHM) berasaskan IoT pada masa hadapan dalam infrastruktur luar bandar.