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Raspberry Pi Heim-Server bauen – die Hardware

  1. Raspberry Pi Heim-Server bauen – die Hardware
  2. Raspberry-Ubuntu-Server als Fileserver – die Installation

Ein Heim-Server soll möglichst sparsam laufen, was liegt da näher als einen Raspberry Pi Heim-Server zu bauen. Mit gerade mal 2 Watt im Leerlauf benötigt der Raspberry Pi 3 B weniger Strom als die sparsamsten NAS-Server. Im Vergleich mit einem NAS ist der Raspberry Heim-Server nicht nur wesentlich sparsamer im Energieverbrauch, er ist auch weitaus vielseitiger einsetzbar. Mit einer 4x 1.2 GHz CPU und 1 GB RAM sollte auch genügend Leistung für einen kleinen Home-Server zur Verfügung stehen.

Was der Raspberry Heim-Server leisten soll

Ziel ist es hauptsächlich einen kleinen Fileserver zu betreiben, so wie man dies von einem NAS her kennt. Das OS Ubuntu Server  ist dazu für mich genau richtig. Es gibt kleinere Debian-Distros die ausreichend wären um als File-Server her zu halten. Dennoch entscheide ich mich für Ubuntu, da ich mich damit gut auskenne und damit für künftige Pläne alle Türen offen stehen. Für genügend Speicherplatz sorgen zwei 1 TB Harddisks an den USB-Ports, welche in einem RAID laufen sollen. Damit ist der Raspberry Heim-Server auch vor einem Festplattenausfall geschützt. Um den Energie-Bedarf aller Komponenten abzudecken, wird noch ein Leistungsstarker aktiver USB-Hub benötigt.

Heim-Server Hardware-Komponenten

Raspberry Ubuntu Server

  • Raspberry Pi 3 B  Amazon, Aliexpress
    Kann natürlich auch ein anderes Modell sein.
  • microSD-Card  Transcend Extreme-Speed SDHC 16GB 30MB/s
    Es gibt durchaus microSDs welche nicht funktionieren mit dem Raspi.
  • Gehäuse und Lüfter (optional) für den Raspi Amazon, Aliexpress
    Hier eignet sich ein offenes Gehäuse mit passendem Lüfter. Geschützt ist die Elektronik schlussendlich durch das Server-Gehäuse. Auf den Lüfter kann auch verzichtet werden. Details dazu im weiteren Beitrag.
  • Kühlkörper für CPU und USB-Controller Amazon, Aliexpress
    Es gibt passende Sätze zu kaufen. Der CPU-Kühlkörper darf meiner Meinung nach jedoch etwas grösser ausfallen als bei den pass-genauen Bausätzen. Ich hab mir schlussendlich einen grossen Kühlkörper so zurecht geschnitten, dass er gerade noch so rein passt. Allerdings habe ich bei Amazon auch schon welche für den Raspi gesehen die sehr gross waren. Aluminium oder Kupfer spielt keine Rolle.
  • Wärmeleitpaste für Kühlkörper Amazon, Aliexpress
    Wärmeleitpaste führt die Wärme besser ab als die Pads die es zu kaufen gibt. Ist allerdings auch nicht ganz so einfach aufzutragen. Wird jedoch im weiteren Beitrag erklärt.
  • zwei 1 Terrabyte USB Harddisk Amazon
    Die Festplatten können in beliebiger grösse gewählt werden. Jedoch ist für einen Betrieb im RAID wichtig dass die beiden Platten baugleich sind. Die Stromversorgung darf nicht extern gelöst sein, sondern muss direkt über den USB-Port erfolgen.
  • USB-Active-Hub mit 4 Ampere Amazon, Aliexpress
    Als Netzteil wird ein aktiver USB-Hub verwendet. Dieser muss genügend Leistung bringen um alle Komponenten mit Strom zu versorgen. Ich habe dazu einen 4 Ampere Hub gewählt. Wichtig ist auch, dass die einzelnen Ports genügend Leistung hergeben. Der Raspi kann bis 1.2 Ampere ziehen, was die 0.9 Ampere der USB3 Spezifikation übersteigt. Übrigens ein USB 2.0 Hub reicht, sofern die einzelnen Ports eben genügend Strom liefern.
  • Klettband Klebepads Amazon, Aliexpress
    Ein Klettband wie das 3M Dual Lock um die einzelnen Komponenten zu befestigen. So lässt sich alles auch wieder einfach rausnehmen. 
  • Ein Gehäuse wo alles rein passt
    Hier ist etwas Kreativität gefragt. Ich fand ein altes Gehäuse eines kleinen PCs. Aber eigentlich kann alles herhalten was aus Kunststoff oder Metall ist, und etwas Luftzirkulation erlaubt.

Den Heim-Server zusammen bauen

Kühlkörper auf dem Raspberry pi anbringen

Als erstes sollten die Kühlkörper auf dem Raspberry angebracht werden. Dabei ist etwas Geschick gefragt. Die Schicht der Wärmeleitpaste darf nicht zu dick sein. Erstes kann man damit die umliegende Elektronik verschmutzen und zweitens kann eine zu dicke Schicht sogar einen nachteiligen Effekt haben. Denn eine zu dicke Schicht Wärmeleitpaste könnte gar isolierend wirken. Eine wirklich gute Beschreibung dazu liefert tomshardware.de.

Raspi-Server Kabel anschliessen

Raspberry Ubuntu Server anschliessen

Der USB-Hub wird als erstes an einen USB-Port des Raspis angeschlossen, damit erweitern wir den USB-Port vom Raspi, was jedoch lediglich der Stromaufnahme der HDD’s dient. Schliesslich hätte der Raspberry ja genügend Ports, nur eben nicht genügend Strom. Nun werden die beiden Festplatten mit den USB-Ports vom Hub verbunden. Letztendlich benötigt noch der Raspberry selbst Strom. Dazu muss der Stromeingang des Raspis ebenfalls noch vorne in den USB-Hub eingesteckt werden, da wo auch die Festplatten angeschlossen sind.

Die Lösung mit dem Hub mag etwas umständlich erscheinen, ist aber sinnvoll. Die USB-Festplatten können nicht einfach nur an die USB-Ports vom Raspi geschlossen werden. Dazu ist die Ausgangsleistung zu gering. Ein Mehrfach-Netzteil mit genügend Ampere und mit 4 USB-Ports in Verbindung mit Y-Kabel für die HDD’s ist ebenfalls keine Lösung. Der Raspberry würde über seine USB-Ausgänge mit Strom versorgt werden, was zwangsläufig zu Schäden führen würde.

Komponenten Einbauen

Der eigentliche Zusammenbau des Heim-Servers gestaltet sich sehr einfach, sofern man sich für ein Klett-System entscheidet. Klett in kleine Stücke schneiden und immer gleich zwei Teile zusammenfügen, sodass man auf beiden seiten eine Klebefläche hat. Dann die doppelten Kletts auf den einzelnen Komponenten anbringen. Zuvor die Fläche mit zB. Brennsprit reinigen. Die Fläche der Kletts sollte nicht zu gross gewählt werden. Die Dinger  halten sehr gut zusammen. Bei zu grossen Flächen bekommt man sie nur sehr schwer auseinander. Zum Schluss auch das Gehäuse mit Spiritus reinigen und die einzelnen Komponenten einsetzen. Einmal gut angedrückt, hält alles fest, kann jedoch später auch wieder heraus genommen werden.

Raspberry Pi Lüftersteuerung

Raspberry automatische Lüftersteuerung

Für eine temperaturabhängig Lüftersteuerung benötigen wir noch ein paar Elektronik-Bauteile. Einen Transistor 2N2222 CBE, einen 1kΩ Widerstand und ein paar Drähte. Am besten man packt das ganze dann noch auf eine kleine Platine. Andernfalls kann man die Bestandteile auch direkt zusammen löten und in Heisskleber packen.

Strom bezieht der Lüfter direkt aus einem USB-Port unseres Netzteils. Auch wenn der Raspi womöglich genügend Strom an einem 5V Pin für den kleinen Lüfter liefern könnte, wollen wir ihn nicht dauerhaft damit belasten. Wir bauen uns also einen kleinen Schaltkreis wie abgebildet und hängen diesen an den Pin GPIO 14. Die Software dazu dann im dritten Teil.

Alternative zur Lüftersteuerung

Wer sich nicht mit der Lüftersteuerung befassen möchte, der kann auch andere Wege gehen. Es gibt noch  temperaturgesteuerte Lüfter, allerdings habe ich noch keinen gefunden der mit 5 Volt läuft. Man könnte den mini-Lüfter auch einfach dauerhaft über PIN 2 und 6 am GPIO laufen lassen, was aber nicht sonderlich sinnvoll wäre. Oder aber man verzichtet ganz auf einen Lüfter. Der Raspi ist zwar konzipiert für eine rein passive Kühlung. Dennoch sollte man sich bewusst sein, dass die CPU länger lebt wenn besser gekühlt wird. Tatsächlich gibt es dazu jedoch auch andere Ansichten, wie in folgendem Beitrag gut ausgeführt wird: https://willy-tech.de/raspberry-pi-kuehlkoerper/

Stromverbrauch des Raspberry Heim-Server

VerbraucherAmpere theoretisch
minmax
Raspberry Pi 3 B0.41.2
HDD 2x0.41.8
Lüfter00.2
Ampere Summe
(Wert für Netzteil-Leistung)
0.83.2
Watt416
Watt inklusive Netzteil
(+20%)
4.819.2

Der Raspberry Pi 3 B benötigt laut Hersteller ein 2.5 Ampere Netzteil. 1.2 Ampere wurden für die USB-Ports deklariert. Genau soviel, also ebenfalls 1.2 A benötigt der Raspi selbst maximal.  Die beiden 1 TB USB-Harddisks von Thoshiba ziehen laut Hersteller maximal je 0.9 Ampere. Der Lüfter wird nicht mehr als 200 mA benötigen. Heisst es werden maximal 1.2 + 2 * 0.9 + 0.2 = 3.2 Ampere bei 5 Volt benötigt. Das aber auch nur wenn beide HDD’s voll laufen und der Raspi ebenfalls.

Bei 5 Volt ergibt das einen theoretischen Stromverbrauch zwischen minimal 4 Watt und maximal 16 Watt. Wobei das Maximum in dieser Konfiguration nie erreicht wird. Wir werden den HDMI Port am Raspi noch ausschalten, ebenso Bluetooth, Wifi und die LEDs. Die Festplatten brauchen erfahrungsgemäss nie das Maximum. Daher denke ich, werden die 16 Watt theoretische Maximalleistung nie erreicht werden.

Passendes Netzteil für den Heim-Server

Ein 4 Ampere Hub als Netzteil sollte da gut bemessen sein. Wichtig ist, dass der Hub auf dem Port für den Raspberry mindestens 1.2 Ampere liefert und auf den Ports für die Festplatten 0.9.

In der bisherigen Rechnung wurde der USB-Hub, also das Netzteil selbst als Verbrauchen noch nicht berücksichtigt. Eine Effizienz von 80% ist in den meisten Fällen passend. Somit muss noch 20% Leistung dazu gerechnet werden zum Verbrauch in meiner vorherigen Rechnung.

Jährlicher Stromverbrauch

Im jährlichen Stromverbrauch ergibt das 4.8 Watt * 24 * 365  = 42048 Wh = 42 KWh im Leerlauf. Da ein Heimserver normalerweise nur wenige Stunden am Tag genutzt wird, sollte der effektive Jahresverbrauch nicht wesentlich höher sein. Mit 60 KWh pro Jahr zu rechnen, halte ich für realistisch.

Raspberry Ubuntu Server Software

Im zweiten Teil geht es um das Betriebssystem und die erforderlichen Software-Komponenten.

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