Cụm 1U Rackmount Cluster cho Raspberry Pi 3B+ / 4B (PoE)

Cập nhật 8/9/2024! Với việc Raspberry Pi 5 ra mắt, mình sẽ làm lại (revamp) thiết kế để chạy hợp hơn với các phụ kiện được cải tiến mà RPi 5 mang lại (ví dụ như ổ NVMe). Những thay đổi này sẽ cần chỉnh sửa khá nhiều, nhất là do chiều cao tăng lên khi gắn cả HAT và PCIe adapter (cái PCIe adapter nằm bên dưới Pi).

Cùng với vỏ Pi 5 mới, các vỏ Pi 4 và Pi 3 cũng sẽ được cập nhật tương tự và sẽ có thêm lựa chọn giải pháp tản nhiệt. Mình cũng sẽ làm thêm bản Rack 10" và cố gắng nhét được nhiều Pi nhất có thể trong các form factor đó (lý tưởng là tổng 6 Pi trong rack 19", và tổng 3 Pi trong rack 10", nhưng còn tùy các thay đổi thiết kế ở trên).

Cứ thoải mái đặt câu hỏi nha!

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Chào mọi người!

Mình xin giới thiệu phiên bản 1U Rackmount Cluster của mình, lấy cảm hứng từ thiết kế của russross (TẠI ĐÂY) và phần bổ sung OLED của revnull (). Phiên bản của mình là thiết kế làm mới hoàn toàn từ đầu (full-scratch), mục tiêu là modular 100%, và có thể dùng như một case độc lập cho RPi 3 hoặc RPi 4 chạy nguồn PoE. Dự án này cũng đang phát triển dần; mình sẽ bổ sung thêm các thiết kế khác khi có thời gian làm và đăng (ví dụ: 1 hoặc nhiều ngăn kéo để chứa đồ, v.v.).

Trước tiên và quan trọng nhất, TÍNH ĐẾN HIỆN TẠI, ĐÂY LÀ THIẾT KẾ CHỈ CHẠY NGUỒN PoE. Nếu bạn không quan tâm PoE nhưng vẫn muốn dựng cái rack này, mình có thể sẽ thêm hỗ trợ nguồn USB sau khi nhận được phản hồi ban đầu.

Cũng lưu ý thêm: thiết kế này dù mình đã test khá kỹ, nhưng chưa được test trên máy in hay profile in của bạn. Nghĩa là hiện nên xem nó là “beta” cho tới khi có thêm nhiều người test. Nếu bạn không muốn test và góp ý, vui lòng đợi tới khi có đủ người test để yên tâm cho một bản phát hành “đầy đủ”. Vì vậy, mình sẽ tạm thời chưa đăng file CAD cho tới khi được test kỹ hơn, để tránh có các bản remix bị dính lỗi.

Ghi chú cuối: đây không phải dự án rẻ, nhưng vẫn rẻ hơn đáng kể so với nhiều sản phẩm thương mại. Mình không cố làm cho nó rẻ nhất; mình ưu tiên làm sao cho dễ lắp ráp và có nhiều thứ hay ho mà mọi người sẽ muốn dùng. Nếu bạn đã có thể mua nhiều con Pi cho dự án này, mình đoán bạn cũng không ngại chi thêm chút cho linh kiện.

Giờ bỏ qua phần cảnh báo, mình vô phần hay ho…

Thiết kế này BẮT BUỘC cần đúng một số linh kiện để lắp khớp chuẩn, tất cả đều liệt kê bên dưới. Bạn muốn thay đổi danh sách thì tự chịu rủi ro! Mình không chịu trách nhiệm nếu linh kiện không lắp vừa với nhau khi bạn không theo bill of materials đã nêu.

Yêu cầu khi in (Print Requirements):

1. Không cần supports!
2. Các part đã được đặt orientation đúng để in, đừng lật ngược (xoay hướng thì được).
3. Thiết kế tối ưu cho nozzle 0.4mm, nhưng Arachne có thể hỗ trợ nozzle lớn hơn. Nếu gặp vấn đề, vui lòng dùng nozzle 0.4mm.
4. Mình khuyến nghị 3–4 perimeters, 4–5 lớp top/bottom, và layer height 0.2mm (line width 0.4mm x layer height 0.2mm).

• Bạn sẽ cần tổng cộng 5 Rack Modules và Rack Sleds, và 1 cái Rack Left Ear + 1 cái Rack Right Ear để làm một module rack 19" 1U.
• Trên mép trái của mỗi Rack Module có các lỗ được in nằm trên một lớp bridging (một lớp). Bạn cần ấn heatset insert xuyên qua lớp bridging để đưa nó vào đúng vị trí (xem hình).
• Mỗi nửa dưới của Pi Case (RPi 3B+ và 4B) cần 3 heatset inserts để bắt nắp trên. Cẩn thận khi ép heatset; không có phần chặn phía sau để ngăn bạn đẩy insert lún quá sâu.
• Nửa trên dùng chung cho cả hai loại đáy RPi. Đừng siết quá chặt ốc giữ nắp trên, vì bạn sẽ làm nứt các ngàm và phải in lại.
• Có câu hỏi hay gặp lỗi gì cứ báo mình.

Yêu cầu linh kiện (tất cả link Amazon US không affiliate; nếu bạn ở ngoài US thì tự tìm linh kiện tương ứng tại nước bạn):

Linh kiện lớn! - 

1. PoE Hat (UCTRONICS) - TẠI ĐÂY - PoE hat này là bắt buộc vì bị giới hạn kích thước, đồng thời nó có chỗ break-out dễ cho các cổng i2c để gắn OLED display.

2. OLED Display (Frienda) - TẠI ĐÂY - Có nhiều loại OLED dạng này. Theo mình biết, loại nào hình dáng như vậy cũng chạy được, nhưng đây là mẫu mình đã test. Trông chúng đều như bản clone của mẫu Adafruit mà revnull dùng trong thiết kế của ảnh. Lưu ý: mẫu cụ thể này không hàn sẵn pin header và bạn sẽ phải tự hàn.

3. Quạt 5015 Blower (WINSINN) - TẠI ĐÂY - Tương tự, 5015 loại nào cũng có thể dùng, nhưng mình đã test mẫu WINSINN này. Nếu bạn không làm 4–5 Pi thì mua số lượng ít thôi. Quạt 12v chạy undervolt xuống 5v vẫn thổi mạnh đáng kể; ngoài ra cũng có quạt 5v nếu bạn để trong server rack ồn sẵn rồi. Xem mục số 8 bên dưới nếu bạn đã có sẵn quạt 5015.

4. Raspberry Pi 3B+ / 4B - Mình đề nghị bạn tự tìm mua. Chúc may mắn.

   Linh kiện nhỏ! -

5. Heatset Inserts M3 sâu 4mm x đường kính 5mm - TẠI ĐÂY - Thiết kế này dùng rất nhiều heatset inserts để việc lắp/tháo dễ hơn, lặp lại ổn định hơn và không làm tuôn nhựa. Đây là BẮT BUỘC, và bắt buộc đúng kích thước/độ sâu (heatset sâu 6mm sẽ KHÔNG dùng được ở đa số vị trí).

6. Ốc M3x6 FHCS (Machine Screws) - TẠI ĐÂY - Bản 1U rack đủ 5 Pi sẽ dùng gần 50 con ốc kiểu này. Nếu số lượng trong set không gần như vừa khít, bạn có thể bị thiếu ốc (báo trước: cần thì đặt hơn 50 con).

7. Ốc M2.5x5 hoặc 6mm - Mỗi Pi Case chỉ cần 4 con để cố định Pi. Cả rack sẽ cần tổng 20 con. Bộ NÀY rẻ và đủ ốc cho nhiều rack.

8. Băng keo mút (Foam Tape) 10mm x 3mm - TẠI ĐÂY - Dùng để vừa đệm vừa làm kín màn hình với mặt trước của Pi Case. Mình không khuyến nghị dày hơn 3mm. Link này là 4 MÉT foam tape. Nếu bạn không có việc gì khác để dùng, hãy tìm loại ít hơn, hoặc để dành phần còn lại.

9. Ty ren #10 / M5 (all-thread rod) - Tìm ở cửa hàng vật tư gần nhà. Bạn cần thanh dài 17.625" (17 và 5/8") hoặc khoảng ~445mm. Ty ren 1/4-20 không dùng được (quá to), M6 cũng không được. PHƯƠNG ÁN KHÁC - Bạn cũng có thể dùng cây ty trơn 5mm thay cho ty ren. Mình thì dùng cây carbon fiber 5mm có sẵn.

10. Dây Dupont Female-to-Female - TẠI ĐÂY - Bắt buộc để nối màn hình vào i2c bus. Lưu ý: bạn sẽ cần đảo hướng kết nối ở một đầu trên các chân i2c để SCL và SDA nối đúng chân tương ứng trên mỗi board.

11. (Tuỳ chọn) - Heatsink cho Raspberry Pi - TẠI ĐÂY - Giới hạn kích thước yêu cầu heatsink thấp hơn 10mm. Mẫu này cao 7mm và đã test chạy được. Dùng heatsink khác thì tự chịu rủi ro. Heatsink chỉ giúp giảm thêm vài độ C so với chỉ dùng airflow.

12. (Tuỳ chọn) - Boost Converter - TẠI ĐÂY - Nếu bạn muốn chạy quạt 12v hoặc 24v ở tốc độ cao hơn mức 5v, mấy boost converter này có thể rẻ hơn so với mua bộ quạt 5015 mới (nếu bạn đang có quạt sẵn). Mình gợi ý dùng băng keo 2 mặt kiểu 3M VHB để dán board lên vách bên để cố định (tất nhiên mua riêng).

Lắp ráp (Assembly):

Pi Case -

1. Ép 5x heatsets vào nửa dưới của Pi Case (cả mẫu 3B+ và 4B), gồm 2x ở hai bên hông case, 1x ở phía sau case, và 2x ở đáy case nếu bạn dùng case trong rack (nếu dùng standalone thì có thể bỏ 2 cái dưới đáy).

2. Rút thẻ SD ra khỏi Pi trước (mình cảnh báo rồi nha) và trượt Pi vào đúng vị trí trong nửa dưới. Có thể bạn phải lắc/điều chỉnh nhẹ để Pi vào khớp. Bắt Pi bằng 4x ốc M2.5x5 hoặc M2.5x6.

3. Gắn heatsink đi kèm PoE hat lên chip PoE, rồi gắn PoE hat lên RPi 3B+ / 4B.

4. Hàn pin header lên OLED display sao cho pin header phẳng (FLUSH) với mặt trước PCB (không thò ra phía trước các lỗ). Nếu OLED của bạn có pin header hàn sẵn, hãy cắt pin cho phẳng với mặt board phía trước. Dán Foam Tape 3mm vào mặt sau OLED, rồi trượt OLED vào khe ở nửa dưới Pi case.

5. Dùng dây Dupont female-to-female, nối các chân GND, VCC, SCL và SDA của OLED sang các chân GND, 3V3, SDA và SCL trên PoE hat. Lưu ý hướng chân SDA và SCL bị đảo giữa hai board (đảm bảo SCL vào SCL và SDA vào SDA).

6. Lấy quạt 5015 blower, ép 2x heatsets vào các lỗ ở MẶT DƯỚI của quạt. Đặt quạt vào vị trí và bắt quạt lên nửa trên của Pi Case bằng 2x ốc M3x6 FHCS vào đúng heatsets vừa ép. Cắm đầu quạt vào ngõ ra 5v của PoE Hat. Lưu ý: bạn có thể phải bẻ nhẹ chân để tiếp xúc tốt khi đã gắn dây Dupont của OLED. Hoặc cách khác: bấm lại (re-crimp) dây quạt 5015 sang đầu Dupont rồi cắm vào.

7. Trong lúc đảm bảo dây không vướng vào quạt, trượt nửa trên Pi Case vào nửa dưới. Bắt chặt hai nửa bằng 3x ốc M3x6 FHCS. ĐỪNG SIẾT QUÁ TAY nếu không bạn sẽ làm nứt ngàm và phải in lại nửa trên.

   Rack Modules -

8. Lấy một Rack Module và ép 2x heatset inserts xuyên qua lớp bridge bên trái và vào lỗ dưới bridge. Nhớ giữ lực để đẩy heatset RA XA tường ngoài của bản in (hướng vào giữa module). Lặp lại y chang cho 4 module còn lại, và cả Rack Right Ear.

9. Ghép 5 rack modules lại với nhau bằng 2x ốc M3x6 FHCS cho mỗi module, rồi gắn Rack Right Ear cũng bằng 2x ốc M3x6 FHCS tương tự.

10. Luồn all-thread rod vào lỗ phía sau bên trái của cụm module đã ghép, chừa phần ty thò ra không quá 7mm. Nếu sau khi luồn hết cỡ mà vẫn thò hơn 7mm, hãy kiểm tra lại xem ty đã ngồi hết chưa bằng cách tháo Rack Right Ear và kiểm tra độ sâu. Nếu cần thì cắt ty theo yêu cầu (không thò quá 7mm).

11. Trượt Rack Left Ear vào phần ty ren đang lộ ra và xoay vào vị trí bên dưới Rack Module. Bắt Rack Left Ear vào Rack Module đầu tiên bằng 2x ốc M3x6 FHCS. Vậy là xong phần module.

12. Với mỗi Pi, lấy một Rack Sled và bắt Rack Sled vào nửa dưới Pi Case bằng 2x ốc M3x6 FHCS. Trượt cụm Pi đã lắp hoàn chỉnh vào bất kỳ vị trí nào trong 5 vị trí của Rack Module, nhớ khóa sled vào đúng chốt (tab) trên rack module.

13. Lắp Rackmount Cluster hoàn chỉnh vào server rack hoặc network rack của bạn!

Cấu hình OLED (OLED Configuration):

1. Cái này dễ mà cũng khó… Làm theo hướng dẫn của Adafruit TẠI ĐÂY để setup OLED chạy được. Nếu bạn muốn tùy biến nội dung hiển thị, bạn sẽ phải tự tìm thêm nếu bạn không rành Python. Nếu bạn muốn code của mình, mình sẵn sàng chia sẻ.
2. RẤT QUAN TRỌNG - Bạn cần setup để code Python của Adafruit chạy cùng hệ thống lúc khởi động. Thông tin có trong guide ở trên, nhưng có thể không chạy đúng tùy OS của bạn. Phần này bạn sẽ cần tự tìm thêm thông tin online.