I nte rna t io na l J o urna l o f   Rec o nfig ura ble a nd   E m be dd e d Sy s t e m s   ( I J R E S )   Vo l.   5 ,   No .   3 No v em b er   201 6 ,   p p .   13 2 ~ 1 36   I SS N:  2089 - 4864           13 2       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s jo u r n a l.c o m/o n lin e/in d ex . p h p /I J RES   FP G A I m pl e m ent a tion o Au to m a ti c Irriga tion a nd  P esticide  Co ntrol Sy ste m       D.   H a nitha ,   B .   Anus ha ,   M .   Durg a   P ra k a s h   De p a rtme n o f   El e c tro n ics   a n d   C o m m u n ica t io n   E n g in e e rin g ,   KL   Un iv e rsit y ,   In d ia       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   A p r   24 ,   2 0 1 6   R ev i s ed   A u g   3 ,   2 0 1 6   A cc ep ted   A u g   1 8 ,   2 0 1 6       In   m a n y   p a rts  o f   th e   w o rld   ra in f a l ls  a re   in a d e q u a te  to   m e e t   a g ri c u lt u ra n e e d o f   fa r m e rs.  It  th u b e c o m e i m p e ra ti v e   to   u se   a n   irri g a ti o n   sy ste m   th a m e e t s   th e   m o istu re   n e e d o f   p lan ts  in   o rd e to   in c re a se   f o o d   c ro p   p r o d u c ti o n .   T h e   s y ste m   d e sc rib e d   h e re   m o n it o rs  t h e   m o istu re   a n d   p e sticid e   c o n tr o n e e d o f   c ro p s.  Irri g a ti o n   c o n tr o is  m o n it o re d   th ro u g h   su it a b le  m o istu re   s e n so rs  a n d   a u to m a ti c a ll y   p u m p w a ter   w h e n   th e   n e e d   a rise th ro u g h   F P G c o n tro l o g ic  th u re q u iri n g   m in ima h u m a n   in terv e n ti o n s.  W e   c a n   a lso   u se   th is  s y ste m   f o r   li q u i d   p e sticid e   su p p ly   th ro u g h   t h e   se lec ti o n .   T h u s,  w e   a c h iev e   t h e   e ff ici e n su p p ly   o f   w a ter  a n d   p e stici d e   a n e e d e d   b y   p lan ts  a n d   c o n se rv e   q u a n t it y ,   e n e rg y   a n d   ti m e .   In   th is  p a p e r,   th e   p ro p o se d   sy ste m   is  d e sig n e d   u sin g   V e ril o g   a n d   im p lem e n ted   o n   F P G A .   T h e   s y ste m   o p e ra ti o n   is  a lso   e x p lai n e d   in   DSCH   (Dig it a S c h e m a ti c so f t w a r e .   Th e   sy ste m   is  v e r y   si m p le  to   o p e ra te  a n d   id e a ll y   su it th e   irri g a ti o n   a n d   p e sticid e   n e e d   f o g re e n   h o u se a w e ll   a s   f a r m s.   K ey w o r d :   FP GA   Mo is tu r Se n s o r   P esti cid e   Valv es   Co p y rig h ©   2 0 1 3   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   M.   Du r g P r ak as h   Ass o ciate   P r o f ess o r ,   Dep ar t m en t o f   E lectr o n ic s   an d   C o m m u n icatio n   E n g in ee r i n g ,     KL   U n i v er s it y ,   Gr ee n f ield ,   Va d d es w ar a m   5 2 2 5 0 2 ,   A n d h r P r ad esh ,   I NDI A .   E m ail:  m d p r ak as h @ k l u n iv er s i t y . in       1.   I NT RO D UCT I O N   I n d ia  is   a n   a g r icu ltu r e o r ien t ed   co u n tr y .     I r r ig atio n   p r o v id es  en o u g h   m o is t u r es s e n tial  f o r   p lan ts ,   an d   also   p r o tects  ag ain s d r o u g h a n d   co o ls   th s o il  an d   atm o s p h er to   p r o v id a   co n v iv ial  en v ir o n m e n f o r   p lan g r o w t h   [ 1 ] .   I r r ig atio n   i s   ca r r ied   o u m ai n l y   t h r o u g h   t h u s o f   s u r f ac e   o r   f lo o d   ir r ig atio n   an d   t h d r ip   ir r ig atio n   t y p e.   T h d r ip   ir r ig a tio n   h as  m a n y   ad v a n ta g es  o v e r   b asin   f lo o d   an d   lo ca lized   m eth o d s   o f   ir r ig atio n   [ 2 ] .   W ater   s o lu b le  f er tili ze r   ca n   also   b ap p lied   w ith o u t a n y   w a s tag b y   th i s   ir r ig atio n   s y s t e m .   Usag o f   tec h n o lo g y   i n   t h f i eld   o f   ag r ic u lt u r s u ch   a s   a u t o m a ted   ir r ig atio n   s y s te m s   s i g n i f ican tl y   co n tr ib u tes  to   th in cr ea s in   th cr o p   p r o d u ctio n ,   r ed u ce s   th ex tr m a n   p o w er   ef f o r ts   an d   co n s er v es  w a ter .   Fo r   th r ea ti m ap p licatio n   o f   ag r ic u lt u r tec h n o lo g ies,  lo co s t   an d   r ea ti m m o n ito r i n g   ar n ee d ed .   T h er e   ar m an y   e x is t in g   s y s te m s ,   to   m ee t h m o is t u r n ee d s   o f   g r ee n   h o u s e s ,   u s in g   m icr o co n tr o ller s .   T h o u g h   t h ese  s y s te m s   ar r eliab le,   t h e y   lac k   f le x ib ilit y   to   r ep r o g r a m   it.  T h u s ,   an   e f f ic ien t   an d   f le x ib l ir r ig atio n   s y s te m ,   w it h   a u to m a tic  co n tr o is   n ec ess ar y .   I n   th i s   s e n s e,   p r o g r a m m ab le  L o g ic  De v ices  ( P L Ds)   p r esen as  g o o d   o p tio n   f o r   th tech n o lo g y   d ev elo p m e n an d   i m p le m e n tat io n ,   b ec au s P L D s   allo w   f a s d ev elo p m e n o f   p r o to ty p es  a n d   d esi g n   o f   co m p lex   h ar d w ar s y s te m s   u s i n g   FP G A s   ( Field   P r o g r a m m ab le  Gate   A r r a y s )   a n d   C o m p le x   P r o g r a m m ab le  L o g i Dev ice s   w h ic h   ar e   r ep r o g r am m ab le  [ 3 ] .   T h S y s te m   p r o p o s ed   in   t h i s   p ap er ,   u s e s   m o is tu r s e n s o r s ,   w h o s o u tp u ts   ar s e n t to   FP G A   co n t r o l u n it,  w h ich   d r i v es t h tap   co n tr o l is n ec e s s ar y .   I n   t h is   s e n s e,   p r o g r a m m ab le   L o g ic  De v ices   ( P L Ds)  p r ese n as  g o o d   o p tio n   f o r   t h tec h n o lo g y   d e v elo p m en t   an d   i m p le m e n tatio n ,   b ec au s P L Ds  al lo w   f ast   d ev elo p m e n t   o f   p r o to t y p es   an d   d es ig n   o f   co m p le x   h ar d w ar e   s y s te m s   u s i n g   FP GAs  ( Field   P r o g r am m ab le  Gat A r r a y s )   an d   C o m p le x   P r o g r a m m ab le  L o g ic  Dev ice s   w h ic h   ar r ep r o g r am m ab le  [ 4 ] ,   [ 5 ] .   T h S y s te m   p r o p o s ed   in   t h is   p ap er ,   u s es  m o is t u r s en s o r s ,   w h o s e   o u tp u ts   ar e   s en t to   FP G A   co n tr o l u n it,  w h ich   d r iv es t h tap   co n tr o l.  T o   p er f o r m   t h i s ,   ap p r o p r iate  s en s o r s   m u s t b u s ed .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ R E S     I SS N:  2088 - 8708     F P GA   I mp leme n ta tio n   o f A u to ma tic  I r r ig a tio n   a n d   P esti cid C o n tr o l S ystem   ( M.  Du r g a   P r a ka s h )   133   2.   RE S E ARCH   M E T H O D       2 . 1 .   Sy s t em   De s cr iptio n   I n   th p r o p o s ed   s y s te m ,   w u s th au to m atio n ,   w h ich   co n tr o ls   th ir r i g atio n   a n d   P esti cid s u p p l y   o f   1 6   g r ee n h o u s es   o r   1 6   f ar m   p ie ce s .   W u s 1 6   m o is t u r s e n s o r s ,   w h o s o u tp u ts   ar d i g ital  an d   g i v e n   as  FP G in p u t s .   T h FP GA   is   co n tr o l c ir cu it  w h o s o u tp u t s   ar g i v en   to   f o u r   tap s   ea ch   attac h ed   w it h   f o u r   v al v es,  u s i n g   s o len o id   d r iv e.   T h f ield   d iag r a m   o f   t h s y s te m   a n d   t h b lo ck   d iag r a m   o f   t h s y s te m   ar s h o w n   in   t h f i g u r 1   an d   f i g u r 2   r esp ec tiv el y .           Fig u r e   1 .   FP GA   i m p le m e n ted   f ield   d iag r a m   o f   t h s y s te m           Fig u r e   2 .   B lo ck   d iag r a m   o f   w a ter - p esti cid co n tr o l s y s te m       T h is   s y s te m   co n s is t s   o f   a   2 :1   Mu ltip le x er   w it h   t w o   i n p u t s   a n d   o n o u tp u w i th   s i n g le   s e lectio n   li n e   is   u s ed   to   s elec b et w ee n   w at er   s u p p l y   o r   p esti cid s u p p l y   an d   f ar m s   ar ir r ig ated   ac co r d in g   to   th s e n s o r   o u tp u lo g ic.   T h s y s te m   also   co n s is ts   o f   t w o   er r o r   s ig n a ls   i n d icatin g   t h a v ailab ilit y   o f   wate r   an d   p esti cid es   in   th ta n k .   I r r ig atio n   s y s te m   u s es  m o i s t u r s en s o r   o u tp u ts   to   d eter m in t h n ec e s s it y   o f   t h w ater .     2 . 2 .   So il  M o is t ure  Sens o rs   So il  m o i s tu r s en s o r s   m ea s u r th w ater   co n ten in   th e   s o il.  T h ey   m ea s u r th s o il  m o is tu r b y       m ea s u r in g   t h p r o p er ties   lik elec tr ical  r esis tan ce ,   d ielec tr ic  co n s tan an d   in ter ac tio n   w ith   n e u tr o n s   o u o f   w h ic h   f e w   ar m en t io n ed   h er e.   T h d ielec tr ic  co n s ta n o f   s o il,  is   an   elec tr ical  p r o p er ty   w h ic h   h as   h ig h   in f lu e n ce   o n   t h m o is tu r co n ten in   th e   s o il.  T h d ielec tr ic  co n s ta n f o r   d r y   s o il  i s   b et w ee n   3   a n d   5 .   C h a n g e   in   m o is t u r co n ten t   c a u s es   s u b s ta n tial  v ar iatio n   i n   d ielec t r ic  co n s ta n t.  T h r elatio n   b et w ee n   t h m ea s u r ed   p r o p er ty   an d   s o il  m o is tu r m u s b ca lib r ated .   C ap ac iti v Sen s o r s   a n d   T i m Do m a in   R ef lecto m etr y   ( T DR )   ar th m o s t c o m m o n l y   u s ed   Dielec tr ic  d ev ices.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4864   IJ R E S   Vo l.  5 ,   No .   3 No v em b er   20 1 6   :   13 2     1 36   134   2 . 3 .   Sy s t em   I m p le m en t a t io n   I f   th e   w ater - p es ticid co n tr o l   s w itc h   is   L OW   th e n   i f   a n y   o u o f   to tal  1 6   s e n s o r s ,   a n y   o f   th f o u r   s en s o r s   in   r o w   is   ON,   t h en   t h tap   co r r esp o n d in g   to   th r o w   o p en s   an d   w ater   f lo w s   to   m ain   p ip e.   T h w a ter   is   let  in to   o n l y   t h o s f ield s   wh o s s en s o r   is   ON  b y   d r iv i n g   v alv e s   ac co r d in g   to   s en s o r   o u tp u ts .   W h e n   w ater - p esti cid co n tr o s w i tch ,   ( MU s elec tio n )   is   HI G H,   th e n   l iq u id   p esti cid f lo w s   th r o u g h   t h p ip es  all  o v er   t h e   f ar m ,   w it h   all  tap s   a n d   v al v es  o p en .     T h t w o   er r o r   s i g n als  in d icat th e   av ai lab il it y   o f   w ater   a n d   p esti cid es  i n   t h tan k .   I f   wate r   tan k   i s   e m p t y ,   t h en   t h er r o r   s ig n al  g o es  h ig h   in d icat in g   r ed   L E D - 1   ON.   Si m i lar l y ,   i f   p esti cid tan k   i s   e m p t y ,   th e n   an o th er   er r o r   s ig n al  g o es  h i g h   in d icatin g   r ed   L E D - 2   ON.   W h en   t h is   h ap p en s ,   s i m u lta n e o u s l y   a ll  v al v e s   an d   tap s   ar clo s ed       3.   RE SU L T A ND  AN AL Y SI S     A   Ver ilo g   co d is   w r itte n   f o r   th p r o p o s ed   co n tr o l s y s te m   a n d   s y n th e s ized .   T h s y n t h esi s   r ep o r t is as   f o llo w s   A d v an ce d   HD L   S y n th e s is   R e p o r t   Ma cr o   Statis tics n o   m ac r o   T im i n g   Su m m ar y :   % Sp ee d   Gr ad e:   - 4   No   clo ck     Ma x i m u m   co m b i n atio n al  p ath   d elay : 7 . 0 4 n s .           Fig u r e   3 .   Sch e m atic  d iag r a m   o f   R T L       3 . 1 .   Sy nthesis   a nd   Si m u la t io n   A   Ver ilo g   co d is   w r itte n   f o r   th p r o p o s ed   co n tr o s y s te m   an d   s y n th e s ized   u s i n g   Xili n x   as   s h o w n   i n   f i g u r 3   a n d   i m p le m e n ted   o n   FP GA .   A   p ar o f   t h p r o p o s ed   s y s te m ,   i.e .   s i n g le   r o w   w it h   f o u r   s en s o r s ,   f o u r   v alv e s   a n d   o n e   tap   i s   i m p le m en ted .   T h FP G A   b o ar d   u s ed   is   DI GI L E NT   NE XYS   2 .   I h as  ei g h s w itc h es  a s   in p u t s   ( f o u r   s en s o r s ,   w ater - p esti cid co n tr o l,  w ater   ta n k ,   p esti cid tan k )   a n d   ei g h L E Ds  i n d icati n g   t h e   o u tp u ts   ( f o u r   v al v es,  o n tap ,   t w o   er r o r   b its ,   an d   w ater - p est icid co n tr o in d icato r ) .   T h ese  r esu lts   ar s h o w n   f i g u r 4 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
IJ R E S     I SS N:  2088 - 8708     F P GA   I mp leme n ta tio n   o f A u to ma tic  I r r ig a tio n   a n d   P esti cid C o n tr o l S ystem   ( M.  Du r g a   P r a ka s h )   135       Fig u r 4 .   FP GA   s i m u lated   s i g n als       T o   m ee h i g h   d e m a n d s   o f   p r o d u ctio n ,   i i s   n ec ess ar y   to   ad o p o p ti m ized   f ar m i n g   tec h n iq u es.  He n ce ,   it  is   v er y   i m p o r ta n to   u s an   ef f icie n ir r i g atio n   s y s te m   to   p r eser v w ater   s o u r ce s ,   m in i m ize  w as tag o f   p esti cid es  o r   o th er   liq u id   f e r tili ze r s   an d   a ls o   r ed u ce   h u m an   ef f o r t.  T h p r o p o s ed   s y s te m   i s   v er y   f a s ( Ma x i m u m   co m b i n atio n al  p a th   d ela y 1 . 2 3 7 n s ) ,   less   co m p lex ,   an d   lo w   co s t.  As  w i m p le m e n ted   t h is   o n   FP GA   it i s   r ep r o g r a m m ab le  a n d   h e n ce   m o r f le x ib le.         ( a)     ( b )     ( c)     Fig u r e   5 ( a)   W ater   tan k   co n tr o l in d icatio n ,   ( b )   P esti cid tan k   co n tr o l in d icatio n   an d   ( c)   E r r o r   s ig n al  in d icatio n       T h f ig u r 5 ( a)   s h o w s   t h r es u lt  f o r   th i n p u t s   w h en   w a ter   tan k   i s   f illed   i.e   HI GH,   w ater   p est  co n tr o l   is   L OW ,   v a lv e s   2   an d   v al v 3   ar HI GH  an d   co r r esp o n d in g   t ap   is   HI GH.   T h f i g u r 5 ( b )   s h o w s   t h r es u lt   f o r   th in p u ts   w h e n   p esti cid ta n k   is   f il led   i.e   HI GH,   w ater   p est  co n tr o l is HI GH,   v al v es 1   to   4   an d   co r r esp o n d in g   tap   is   HI GH.   A n d   th f i g u r 5 ( c)   s h o w s   th er r o r   ca u s ed   d u to   s elec tio n   o f   e m p t y   w ater   tan k   b y   MU X.   Du e   to   th is   all  o t h er   v al v es a n d   tap s   ar clo s ed   an d   er r o r   s ig n a l is   in d icate d .     3 . 2 .   Dev ice  Ut iliza t io n Su mm a ry   Nu m b er   o f   Sli ce s :                         1 6   o u t o f       4 6 5 6       0 %     N u m b er   o f   4   i n p u L UT s : 2 7   o u t o f       9 3 1 2       0 %         Nu m b er   o f   I O s :                  49   Nu m b er   o f   b o n d ed   I OB s :   4 2   o u t o f       2 3 2   1 8 %     C ell  Usa g e:   #   B E L S     : 2 7     #   L UT 2     : 2   #   L UT 3     : 1   #   L UT 4     : 2 4   #   I B u f f er s   : 4 2   #   I B UF     : 1 9   #   OB UF     : 2 3     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 9 - 4864   IJ R E S   Vo l.  5 ,   No .   3 No v em b er   20 1 6   :   13 2     1 36   136   4.   CO NCLU SI O N     I n   th is   p ap er ,   w h a v d e m o n s tr ated   4   x   4   ar r a y   s e n s o r s   w ater - p es ticid co n tr o s y s t e m   u s i n g   Ver ilo g   an d   i m p le m en ted   o n   FP GA .   W h av s i m u lated   ir r ig atio n   co n tr o is   m o n ito r ed   th r o u g h   s u itab le   m o is t u r s en s o r s   an d   au to m a ticall y   p u m p s   w ater   w h en   t h n ee d   ar is es  t h r o u g h   FP GA  co n tr o lo g ic  th u s   r eq u ir in g   m in i m a h u m a n   i n te r v en tio n s .   U s i n g   t h is   m et h o d   o f   FP G A   i m p le m en tatio n   w ar ab le  to   co n tr o th e f f icien s u p p l y   o f   w ater   a n d   p esti cid as  r eq u ir ed   b y   p la n ts   a n d   co n s er v q u a n ti t y ,   e n e r g y   a n d   ti m e.   A ls o   th s y s te m   d ev elo p ed   th r o u g h   th d ig ita l sc h e m at ic  s o f t w ar e.       RE F E R E NC E S   [1 ]   Zh iy o n g   L a i,   Yo n g li   Da i,   An   Irr ig a ti o n   Co n tro l   S y ste Ba se d   o n   a n   FP GA .   P u b li s h e d   i n   In stru m e n tatio n ,   M e a su re m e n t,   Co m p u ter,  Co m m u n ica ti o n   a n d   C o n tr o (IM CCC),   2 0 1 2   S e c o n d   In tern a ti o n a Co n f e re n c e ,   Ha rb in ,   P ri n I S BN 9 7 8 - 1 - 4 6 7 3 - 5 0 3 4 - 1.   [2 ]   Jo n a th a n   A .   En o k e la1 ,   Isa iah   I.   T s a v w u a ,   S i m o n   A .   On y il o ,   T h e   I m p le m e n tatio n   o f   a   Co n tr o Circu it   f o M icro c o n tro ll e b a se d   A u to m a ted   Irri g a ti o n   S y ste m .   In ter n a ti o n a l   J o u rn a o f   Eme rg in g   T e c h n o l o g y   a n d   Ad v a n c e d   En g i n e e rin g ,   IS S 2 2 5 0 - 2 4 5 9 ,   IS O 9 0 0 1 : 2 0 0 8   Ce rti f ied   Jo u rn a l ,   Vo lu m e   4 ,   Iss u e   6 ,   Ju n e   2 0 1 4 .   [3 ]   S w a ru p   S .   M a th u rk a r,   D.  S .   Ch a u d h a ri ,   A   Re v ie w   o n   S m a rt  S e n so rs  Ba se d   M o n it o ri n g   S y ste m   fo A g ricu lt u re .   In ter n a t io n a J o u rn a o In n o v a t i v e   T e c h n o lo g y   a n d   Exp lo ri n g   En g in e e rin g   ( IJ IT EE ) ,   IS S N:  2 2 7 8 - 3 0 7 5 ,   V o l u m e - 2 ,   Iss u e - 4 ,   M a rc h ,   2 0 1 3 .   [4 ]   A n ik e H.  Ha d e ,   Dr.  M . K.  S e n g u p ta,   A u to m a ti c   c o n tro o f   Drip   Irri g a ti o n   sy ste m a n d   M o n it o rin g   o f   S o il   b y   W irele ss .   IOS J o u rn a o A g ri c u lt u re   a n d   Vete rin a ry   S c ien c e   ( IO SR - J AV S ) ,   e - IS S N:  2 3 1 9 - 2 3 8 0 ,   p - IS S N:  2 3 1 9 - 2 3 7 2 .   Vo lu m e   7 ,   Iss u e   4   V e r.   III  ( A p r.   2 0 1 4 ),   P P   5 7 - 61.   [5 ]   M .   Din e sh ,   P .   S a ra v a n a n ,   F P G A   Ba se d   Re a T i m e   M o n it o ri n g   S y ste m   f o Ag ricu lt u ra F ield .   In ter n a t io n a l   J o u rn a o El e c tro n ics   a n d   C o mp u ter   S c ien c e   En g i n e e rin g ,   I S S N -   2 2 7 7 - 1 9 5 6 .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.