Tak, wiem że minęło znacznie więcej niż dwa tygodnie, ale życie miało dla mnie inne scenariusze. Na szczęście mogę już wrócić do tematów Linuxowych i tworzyć dla Was nowe materiały. Dziś zapraszam do drugiego wpisu dotyczącego własnego, niezależnego serwera pod usługi hostowania stron i aplikacji webowych. Pierwszy przedstawił ogólną wizję tego, co chcę osiągnąć, w tym wpisie skupię się już na szczegółach, takich jak dokładne modele sprzętu, obliczenia poboru mocy, dobór skrzynki oraz wstępne rozmieszczenie elementów. Wszystko to będzie miało ogromny wpływ na działanie zestawu w przyszłości, więc każdy z tych etapów traktuję bardzo poważnie – szczególnie ten dotyczący obliczeń prądowych.
Wykaz komponentów
Skrzynka ma w swoim założeniu spełniać jedną, podstawową funkcję – umożliwiać uruchomienie serwera Linux, na którym skonfiguruję wszelkie usługi sieciowe, na których mi zależy. Potrzebny będzie do tego komputer pełniący rolę serwera, urządzenie zasilające oraz urządzenie komunikacyjne. Mam swoich faworytów, z których skorzystam do tego zadania, a wybór tych konkretnych marek i modeli nie wziął się z przypadku. Chodzi tutaj o zakres temperaturowy pracy urządzeń oraz odporność na pozostałe warunki pogodowe i wstrząsy. Są to urządzenia klasy przemysłowej, czyli takie, które stosowane są na co dzień w zastosowaniach profesjonalnych (np. automatyka w dużych firmach lub w projektach drogowych). Zwiększa to ich odporność, a zarazem wydłuża żywotność. Rodzaj zasilania sprawia, że potrzebne będą także dodatkowe komponenty, jak akumulatory, panele solarne czy regulator ładowania, ale o tym w dalszej części wpisu.
Komputer / serwer: Revolution Pi RevPi Core 3
Przemysłowe wydanie Raspberry Pi 3 (a dokładniej Compute Module 3), pozwalające na wpięcie komputera bezpośrednio na szynę DIN oraz podłączenie zasilania przez skręcane złącza kablowe. Oprócz tego urządzenie posiada podwyższony poziom odporności na warunki pogodowe, a przede wszystkim temperaturę, wilgoć i zapylenie.
Moduł GSM: Elproma RBMTX-Lite-WiFi 4G
Główne urządzenie sieciowe, które będzie pełniło funkcję modemu GSM, łącznika WiFi a także pozwoli na konfigurację przekierowywania portów sieciowych. Urządzenie jak na swój rozmiar jest niesamowicie wytrzymałe na wszelkie warunki terenowe. Soft natomiast pozwala na skonfigurowanie dosłownie każdej niezbędnej funkcji, jaką można wymyślić sobie przy modemie GSM – w tym także konfigurację sieci VPN.
Switch Ethernet: Advantech EKI 2525
Prosty, niezarządzany switch o niskim poborze energii z możliwością montażu na szynie DIN. Pozwala na podłączenie do 4 urządzeń, co w moim przypadku wystarczy w zupełności. Ze względu na budowę przemysłową umożliwia także na podłączenie zasilania na skręcanych złączach kablowych i jest odporny na bardzo duże wahania temperatury, co przy pracy cały rok w skrzynce zewnętrznej ma ogromne znaczenie.
Powyższe sprzęty po uruchomieniu i odpowiedniej konfiguracji pozwolą na dowolne łączenie się z serwerem w każdej chwili, a w przyszłości także na rozbudowanie układu o funkcje zbierania wielu interesujących informacji na temat otoczenia skrzynki (np. warunki pogodowe, temperatura, poziomy nasłonecznienia czy czas efektywnego ładowania akumulatorów). Przejdźmy teraz do najważniejszej kwestii, czyli źródła zasilania.
12V czy 24V
Podczas składania takich układów zawsze mam dylemat, czy iść w 12V czy 24V. Różnica jest dość duża, bo dzięki napięciu 24V można zastosować cieńsze i dłuższe przewody, lecz przy 12V wystarczy jeden akumulator. Koniec końców zdecydowałem, że układ będzie zasilany napięciem 12V. Każde z wybranych urządzeń pozwala na pracę z tym napięciem, a odległości między urządzeniami są na tyle niskie, że nie powinienem mieć specjalnych kłopotów z przewodami czy spadkami napięcia.
Pobór mocy
Czas na jeden z najważniejszych kroków, czyli sprawdzenie, jakie będzie maksymalne obciążenie układu. Zaczynam od RevPi Core 3, które według karty produktowej osiąga maksymalne zużycie energii na poziomie 10W. Znając napięcie robocze (12V DC) i korzystając ze wzoru ( Natężenie = Moc / Napięcie ) uzyskuję informację o tym, że maksymalne natężenie wyniesie 10W/12V=0,83A. Kolejne urządzenie to moduł GSM, który zgodnie z kartą produktową osiąga maksymalne zużycie energii na poziomie 5W. Szybko licząc będzie to 5W/12V=0,42A. W przypadku modułu GSM producent zastrzega jednak, że przy uruchomieniu lub restarcie może pojawić się pik, który osiąga nawet 1A! Nie będzie to miało znaczenia przy doborze akumulatorów, ale będzie to istotne w przypadku doboru przekroju przewodów. Przejdźmy jednak do kolejnego urządzenia, którym jest switch Ethernet. W tym przypadku producent podaje wartość 2.88W, co da nam wartość natężenia 2,88W/12V=0,24A.
W tym momencie mogę zsumować (maksymalny) ciągły pobór mocy oraz natężenie, jakie wtedy osiąga prąd. Sumarycznie mamy tutaj 17,88W, co przekłada się na natężenie 1,49A. Tych wartości użyjemy do wyliczenia odpowiedniego akumulatora, a następnie paneli solarnych. Najpierw jednak wrócę na chwilę do wartości pikowej natężenia, która może osiągnąć tutaj 2,07A. Wiedząc, że pracujemy w sieci 12V DC możemy dzięki temu dobrać odpowiedni przekrój przewodów. Biorąc pod uwagę natężenie płynące przez przewody przyjęło się, żeby dobierać przewody zgodnie z rozpiską:
0,5 mm2 dla obciążenia 3A – 5A
0,75 mm2 dla obciążenia 6A – 8A
1,0 mm2 dla obciążenia 9A – 12A
1,5 mm2 dla obciążenia 13A – 16A
Zgodnie z rozpiską powinien wystarczyć tutaj przewód 0,5 mm2, ale trzeba wziąć pod uwagę jeszcze jeden parametr – spadek napięcia. Przy 12V jest to bardzo istotny parametr, a rośnie on znacznie z odległością zastosowanego przewodu. W mojej szafce odległości nie przekroczą 1m dla pojedynczej żyły, więc spadek napięcia będzie oscylował w granicach 1%, ale w przyszłości zamierzam dołożyć do szafki sterownik PLC i kilka urządzeń pomiarowych (stacja pogodowa), które zwiększa amperaż dwukrotnie, więc dla pewności zastosuję przewody LKY (linka miedziana z izolacją PVC) o przekroju 1 mm2.
Dobór akumulatora
Przy doborze akumulatora kieruję się poborem ciągłym urządzeń, które wyliczyłem na 1,49A. Aby sprawdzić, jak długo wytrzyma akumulator o danej pojemności korzystam z kalkulatora na stronie Botland – Kalkulator czasu pracy akumulatora. Wpisując tutaj pojemność 40Ah (amperogodzin) oraz obciążenie 1,49A uzyskuję wynik 26,8 h, więc więcej niż doba. Powinno to w zupełności wystarczyć na stabilne działanie systemu przez 90% roku (dopuszczam, że w miesiącach zimowych mogą trafić się np. 4-5 dni bez słońca pod rzad, kiedy to układ padnie). Kolejny bardzo istotny parametr to typ akumulatora – ze względu na pracę w warunkach zewnętrznych do wyboru mamy akumulatory AGM (żelowe), lub LiFePo (litowo-żelazowe). Te drugie są nowsze i pewniejsze, ale też o wiele droższe. Zdecydowałem się wiec na akumulator żelowy i rozpocząłem poszukiwania.
Tutaj trafiłem na ciekawostkę – kupując jeden akumulator 40Ah należy przygotować się na wydatek około 340,00 – 350,00 zł (np. tutaj – Akumulator 40Ah). Wybierając jednak dwa akumulatory o pojemności 20 Ah i łącząc je równolegle (zwiększając pojemność zostawiając jednocześnie napięcie znamionowe) wydatek wyniesie około 280,00 – 300,00 zł. To zawsze około 50,00 zł w kieszeni! Dodatkowo zyskujemy pewną ciekawą zaletę – redundancję źródła zasilania. Jeśli jeden z akumulatorów padnie, drugi będzie jeszcze działał przez jakiś czas. Gdyby był tylko jeden i padł, to tracimy cały układ od razu.
Pogrzebałem w sieci jeszcze trochę i finalnie zdecydowałem się na ofertę ze sklepu Allegro, gdzie akumulator 20Ah sprzedawany jest po 106,00 zł za sztukę (O-VIS GEL 12V 20Ah). Według opinii użytkowników akumulatory są wykonane solidnie i dobrze trzymają napięcie, a producent podaje żywotność na około 5 lat, co jest super wynikiem dla takich akumulatorów.
Dobór paneli solarnych i regulatora
Dobór paneli solarnych to kolejne spore wyzwanie. Aby akumulatory były zawsze doładowane należy dobrać moc panelu tak, aby osiągnąć około 80% naładowania w 5 godzin. Wynika to z naszego położenia geograficznego i dostępności słońca. Zimą mamy tylko 3 do 5 godzin aktywnego ładowania, co może powodować przerwy w działaniu układu, gdy źle dobierzemy panel solarny. W moim przypadku mam do naładowania akumulatory o pojemności 40Ah, skorzystam tutaj ze wzoru:
Moc panelu = Liczba watogodzin akumulatora / (Ilość godzin ładowania * Sprawność układu)
Liczba watogodzin (Wh) akumulatora to jego pojemność mnożona przez napięcie. W moim przypadku to 40Ah * 12V = 480Wh (watogodzin). Ilość godzin ładowania to uśredniona wartość dzienna. Dla naszej szerokości geograficznej przyjmuje się 5h (godzin). Sprawność układu to potencjalne straty na przewodach zsumowane z wydajnością akumulatora (nie zawsze osiąga pełną wartość nominalną). Tutaj najczęściej przyjmuje się 85% (0,85). Podstawiając liczby do równania otrzymam wartości:
Moc panelu = 480Wh / (5h * 0,85) = 480Wh / 4,25h = 113W
Panele fotowoltaiczne produkowane są z konkretną wartością, np. 20W, 50W czy 100W. Wartość 113W, która wyszła z mojego równania sprawia, że najbardziej optymalny będzie dla mnie panel 120W. Biorąc jednak pod uwagę budżet, którego nie chcę zbytnio nadwyrężać pokopałem odrobinę w sieci i doszukałem się, że najtańsze panele 120W kosztują około 300,00 zł, natomiast panel 100W (najprawdopodobniej ze względu na popularność) można kupić już za 190,00 zł. Zdecydowałem więc, że jestem w stanie poświęcić kilka godzin pracy w okresie zimowym, aby zaoszczędzić na instalacji kolejne 110,00 zł.
Jeśli chodzi o regulator lądowania, to ponownie pojawiają się różne opcje. Podstawowym wyborem jest regulator PWM, który jest tańszy, ale uzyskuje gorsze parametry ładowania. Lepszym wyborem dla naszej szerokości geograficznej jest regulator typu MPPT, który pozwoli na maksymalne wykorzystanie energii słonecznej. Dla akumulatorów 40Ah 12V i panelu 100W 12V regulator o mocy ładowania 10A w zupełności wystarczy. W projektach, które do tej pory realizowałem świetnie działał model MPPT 12-24V 10A, więc tutaj nie zamierzam już oszczędzać i po prostu biorę sprawdzony sprzęt. Koszt to około 120,00 zł.
Regulator ten ma kilka bardzo istotnych cech, np. nie pozwala na przeładowanie akumulatora, odcina go także przy zbyt niskim napięciu, ładuje w kilku trybach (boost, ładowanie zwykłe i float – podtrzymanie), a do tego posiada wbudowany moduł bluetooth, dzięki któremu można (będąc w pobliżu) sprawdzić parametry panelu, akumulatora i regulatora w aplikacji na smartfonie.
Rozmieszczenie komponentów
Przyszedł czas na najtrudniejszy krok – upchnięcie wszystkiego do skrzynki. Dorwałem obudowę z tworzywa ABS o wymiarach 300mm x 400 mm x 170 mm (szerokość 30cm, wysokość 40cm). Do upchnięcia w środku dość sporo, bo:
- szyna DIN, która pomieści serwer(ek), moduł GSM i switch
- szyna DIN na elementy układu zasilania (bezpiecznik, zugi)
- dwa akumulatory 20Ah
- regulator ładowania
Aby troszkę sobie ułatwić zadanie regulator przymocuję na jakiś fajny system montażowy do drzwi frontowych. Wydłuży to delikatnie przewody, ale przy tym rozmiarze skrzynki nie będzie to miało aż tak dużego znaczenia. Ważniejsze jest to, aby w ogóle zmieścić się w skrzynce. Według moich pomiarów będzie to więc wyglądało mniej więcej tak:
Dalsze plany
W kolejnym wpisie przedstawię proces montażu całej zawartości skrzynki oraz sposób podłączenia wszystkich elementów. Mam nadzieję, że nie nastąpi to za pół roku, lecz na przestrzeni kilku tygodni. Po złożeniu całości i przetestowaniu działania przygotuję także odpowiedni zestaw do montażu, bo całość będzie siedziała na słupku przykręconym do ściany (tak, aby wystawał ponad dach budynku). Projekt jest naprawdę wymagający, ale takie lubię najbardziej.
