Servidor NAS con Raspberry PI (Hardware)

Ya muchos de ustedes habrán visto diferentes tutoriales sobre instalación de servidor NAS en la Raspberry PI. Sin embargo, para mantener varios discos duros es necesario una alimentación externa tanto para discos de 2.5 como para discos de 3.5.

Como hemos visto la solución típica para los discos de 2.5″ (Disco duro de portátil), es usar un HUB USB con puerto de alimentación externa y para los discos de 3.5″ (Disco duro de equipo de escritorio), es conseguir un adaptador de 12Volt.

Estas soluciones no siempre son muy amigables con el espacio y terminan agregando conexiones y cableado innecesario. Por esta razón, en este tutorial les voy a enseñar cómo montar un servidor NAS con la Raspberry PI para discos de 2.5 utilizando reguladores de voltaje y les dejare un diseño propio de la caja para el servidor para imprimir en impresora 3D.

Materiales

Antes de empezar, es bueno tener claro los componentes que vamos a utilizar y conocer las características de cada uno de ellos, esto nos ayudara a conocer las limitaciones de nuestro servidor.

Raspberry PI

Raspberry PI 3 Modelo B

Personalmente, recomiendo versiones mas recientes de Raspberry PI como: la “Raspberry PI 4” de 1GB, pero si queremos instalar mas características recomiendo la de 2GB o la de 4GB, la diferencia en precio es baja, por lo que es bueno tener la de 4GB por un par de dólares mas, en mi caso utilizo una Raspberry PI 3 (Con la que se implemento el proyecto de este tutorial).

Las características que nos interesan para poder montar el servidor NAS son la RAM y la capacidad de disco para instalar.

Para montar el servidor NAS con OMV (Open Media Vault), se recomienda 1GB de RAM y al menos 4GB de almacenamiento interno, mas el disco duro externo donde vamos a guardar nuestros archivos. En las estadísticas que se muestran en la pagina del servidor no parece que aumente mucho el uso de memoria, por qué lo que para algunos usuarios 1GB de RAM es suficiente.

Informacion del sistema Open Media Vault en Raspberry PI 3

Memoria Micro SD

La memoria parece ser de las cosas menos importantes, sin embargo se debe prestar atención a ciertas características de esta, para un correcto funcionamiento de nuestro sistema.

Primero la capacidad de la memoria, donde solo se va a instalar el servidor OMV veremos que se puede usar una Micro SD de 4GB en adelante pero, si queremos instalar mas aplicativos como servidores WEB, servidor GIT, paginas personales, gestores de descarga entre otros, es de gran importancia tener capacidad de sobra para este fin, en mi caso solo instalare el servidor NAS y un servidor WEB por lo que utilizaré una memoria de 16GB.

Nota: A la fecha de publicación de este articulo, es casi imposible encontrar memorias de 4GB, las de 8GB son escasas en el mercado por lo que la memoria de más baja capacidad que podemos usar comercialmente es una de 16GB.

Segundo tenemos la velocidad de transferencia, entre más rápida sea, más rápido responderá nuestra Raspberry PI, y menos latencia vamos a sentir. Por eso recomiendo una memoria clase 10 en adelante.

Adaptador SATA a USB

Adaptador SATA a USB BET-US02

Este es el dispositivo principal, nos va a permitir conectar los discos duros a la PI3., dependiendo de la selección de componentes como el disco duro (250GB, 500 GB, 1TB, 2TB), y las características del mismo, como velocidad de lectura/escritura, marca y/o modelo se podrán afectar los costos.

Como la PI3 solo maneja puertos USB 2.0 y comparte el canal con el puerto Ethernet, tenemos una limitante de velocidad máxima para los USB. Por esto no tiene sentido agregar un adaptador USB 3.0.

En este caso voy a utilizar el conversor SATA a USB BET-US02.

Aliexpress, Aliexpress

Regulador variable 5A

Tarjeta DSN5000 con regulador XL4005

Este servidor es alimentado de forma independiente, la PI3 y los discos se alimentan cada uno con un regulador, estos nos ayuda a que el servidor sea modular y podamos conectar desde un disco duro hasta un total de 4 (haciendo referencia a uno por cada USB de la PI3).

La PI3 tiene con consumo máximo de 4W a un voltaje de 5V, esto indica que tenemos una corriente de 800mA, el regulador apropiado para este propósito, sera aquel capaz de entregar al menos 1.2 Amp y 5 Volt de salida.

Respecto a los discos duros, el adaptador puede consumir hasta 1 Aamp en el caso de utilizar discos de 2 TB, el regulador ideal para los discos puede ser variable o salida 5 Volt. (preferiblemente variable) con salida minima de 1.8 Amp.

Para el servidor implementado en este este tutorial utilicé reguladores de 5 Amp, que son reguladores de bajo costo y comprados por cantidad son más económicos así que utilizo el mismo para los discos duros y para la Raspberry PI3.

Si se preguntaran porqué uso un regulador con tanta corriente, la respuesta es simple y esta soportada por 3 condiciones de diseño.

  1. La primera condición es que las placas chinas que se fabrican con reguladores de menos corriente suelen tener inductores con cables de menor calibre y no soportan la corriente que indican.
  2. La segunda condición son las características del regulador, aunque se especifica una corriente de salida de 5A, el integrado por si solo no aguanta tanta potencia y tiene que estar con buena disipación aumentando el tamaño de los diseños.
  3. La tercera condición se debe al ruido generado por el swicheo interno del regulador, a medida que sube la corriente, la frecuencia de swicheo y el PWM aumentan, generando más s ruido que se derivara hacia la PI3 y los discos duros.

Por lo anterior, considero que el regulador apropiado para el montaje es el XL4005, este se encuentra en diferentes versiones, por lo que les dejare un enlace al mismo que se utiliza en este tutorial.

XL4005

Modelo de Caja en 3D.

Diseño Servidor NAS para HDD de 2.5

Existen muchos diseños de cajas para nuestro servidor NAS que son bastante interesantes, sin embargo en esta oportunidad preferí montar una caja modular lo mas compacta posible y con la posibilidad de integrar un ventilador de 3 cm a cada unidad de disco duro.

En este caso, el servidor se diseño para dos discos duros y el espacio para la Raspberry 3, las uniones entre caja y caja se hace con tiras de papel foami (Eva) de 2mm de espesor, ayudando a disminuir la vibración de los ventiladores y los discos.

La pieza superior encaja a presión en la caja de la Raspberry y la pieza frontal tiene el largo para cubrir las 3 cajas.

https://www.thingiverse.com/thing:4163652

Fuente de alimentación

La fuente puede ser de varios voltajes gracias a los reguladores utilizados, se puede agregar una fuente desde los 5 Volt. hasta los 32 Volt. sin embargo para la salida de 5 Volt. es necesario que entregue al menos 6 Volt. DC.

La corriente que debe entregar la fuente depende de la cantidad de discos que vamos a utilizar, por ejemplo para el caso de este tutorial se utilizaran 2 discos.

Potencia de la PI3 = 4 Watt.

Potencia Discos Duros = 5 Watt.

Potencia PI + Potencia Disco 1 + Potencia Disco 2 = 14 Watt.

Recomiendo usar una fuente al menos 40% mas alta de lo requerido, asi que la fuente que podemos utilizar debe entregar al menos 19.6 Watt, redondeando a 20W.

Suponiendo que se escoja como entrada 12 Volt., la fuente debe entregar al menos 1.6 Amp.

Para el caso de este tutorial Utilice una fuente de 12 Volt. y 5 Amp., porqué contaba con esta de un proyecto anterior.

Fuente disponibles

Ventiladores

Los ventiladores no consumen demasiada energía, sin embargo sí estamos trabajando con fuentes muy cercanas a lo requerido es bueno sumar ese consumo, recomiendo subir 1 Watt por cada ventilador que se valla a utilizar.

Ventilador

Ensamble.

El primer paso es probar que nuestro adaptador SATA a USB este trabajando correctamente utilizando un PC cualquiera y conectando ambos puertos USB. Si ya esta trabajando correctamente, empezaremos la parte interesante.

Con ayuda de un cortador y unas pinzas quitamos la caja plástica con cuidado de no romper la electrónica.

Retiramos la silicona que cubre los cables del USB, es recomendable revisar las conexiones para no tener problemas luego al conectar, en mi caso tengo el rojo a VCC y el blanco en GND, esto puede ser estándar pero es mejor no tomarlo a la ligera.

Lo siguiente es desoldar el cable USB de la placa y cortar la extensión de alimentación que trae en éste.

Lo siguiente es cortar el cable de mayor diámetro a la medida que necesitamos, esta distancia depende de la cantidad de discos que queramos conectar, en mi caso son 2 discos, por lo que cortaré uno de 10 cm y otro de 15 cm.

Pelamos y estañamos los cables excepto el rojo (VCC) el cual cortaremos y lo dejaremos al ras del cable de mayor diámetro.

Lo siguiente que haremos es soldar un par de cables a la entrada de nuestro regulador y con ayuda de un Voltímetro, moveremos el potenciómetro hasta que la salida nos dé aproximadamente 5.1 Volt.

Debido a que la medición se hace sin carga, al momento de encender los discos duros o la PI3, se caerá un poco el voltaje generando alertas ocasionales de voltaje bajo, yo recomiendo dejar los reguladores en 5.05V o si utilizan unos de menor corriente, es recomendable subirlo un poco mas.

Nota: Los circuitos internos soportan un máximo de 5.5V generalmente, pero como pueden aparecer subidas repentinas de voltaje no es recomendable dejarlo en 5.5V, por eso recomiendo un máximo de 5.12V.

El siguiente paso es empezar a ensamblar y distribuir las tarjetas en las cajas que imprimimos.

La primera es la caja para el disco duro, puede ser que haga falta usar una broca o un cautín para hacer un poco mas grande el agujero por el que va a pasar el cable USB.

Pasamos el cable USB por el agujero y lo acomodamos de tal forma que los 3 cables que vamos a soldar queden fáciles de ubicar.

Soldamos los cables en la misma ubicación que venían, dejando el mínimo espacio entre el caucho de recubrimiento negro y la PCB.

Lo siguiente es soldar el regulador, los cables que van del regulador a la tarjeta son de aproximadamente 5cm y los de entrada del regulador es recomendable dejarlos al menos 15cm para acomodarlos al finalizar la instalación.

Tener cuidado donde se soldan los cables de alimentación en la PCB del conversor, debe ir el cable USB por el lado del cristal y los cables de alimentación por el lado opuesto.

El siguiente paso es acomodar el conversor en la caja, para esto jalamos con cuidado el cable USB mientras acomodamos la placa.

Recomiendo colocar dos pedazos de foamy (Eva), a cada lado del USB para proteger los componentes que se encuentran en esa zona.

Colocamos dos tornillos de 6mm M3 en los agujeros, y procedemos a ubicar el regulador en la pared donde sale el sable USB, asegurémonos de pasar el cable de alimentación entre el regulador y el convertidor por la parte de atrás del regulador.

Nota: Si vamos a colocar los ventiladores en este punto es ideal, soldar a 12 Volt o a 5 Volt dependiendo del que tengamos.

Luego ubicamos el regulador en la placa usando tornillos de 6mm M3.

En la versión nueva de la caja para el NAS se encuentra una saliente en la parte de atrás para ajustar con tornillos el cable USB, se necesitan 2 tornillos M2 de 6mm.

El siguiente paso es colocar papel foamy (Eva), alrededor de los bordes de la caja, cómo se menciono anteriormente, esto ayuda a disminuir la vibración que le llega a los otros discos.

Nota: La nueva versión del NAS viene mas alta y evita el uso de Foamy, adicional cuenta con aperturas para tornillo M3 para unir cada pieza.

Imagen caja Disco 2.5mm (Versión Vieja)
Imagen caja Disco 2.5mm (Versión Nueva)

Montamos una caja sobre otra hasta que conseguimos la cantidad de discos duros que queremos. La caja tiene aperturas a los lados que encajan en las ranuras de los discos, podemos usar tornillos de rosca fina, M3 de 6mm para ajustar los discos.

Para soldar los cables de alimentación entre las cajas de los discos duros hay un agujero cerca al regulador.

Una vez ubicados todos los discos, se procede a montar la Raspberry en la caja correspondiente, esa no tiene gran ciencia, solo es necesario acomodar la PI3 mirando hacia atrás y ubicar el regulador en el frente de la caja.

Se unen todos los cables a la fuente principal, en mi caso conseguí de uno de los adaptadores SATA USB un Jack de 12Volt compatible con la fuente de 12Volt que utilizo.

La conexión de 5Volt a la raspberry pi 3, se hace por el GPIO, la altura de la caja alcanza a pasar los cables sin problema.

Finalmente solo nos queda poner las tapas de nuestro servidor.

La versión nueva se ajusta exactamente al borde de la caja y se le pueden agregar tornillos M2 de 6mm

Servidor NAS, vista frontal (Versión vieja)
Servidor NAS, vista trasera (Versión vieja)
Servidor NAS, vista frontal (Versión Nueva)

Te invito a visitar nuestro Tutorial de Instalación de Open Media Vault

Bibliografía

https://en.wikipedia.org/wiki/OpenMediaVault

http://www.xlsemi.com/datasheet/XL4005%20datasheet.pdf

https://www.raspberrypi.org/products/raspberry-pi-3-model-b/

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