Справиться с теплом средства борьбы с тепловыделением в цифровых видеорегистраторах

Источник: Hi-Tech Security Solutions Марк Кэмпбелл По мере взлета популярности систем цифрового видеонаблюдения (компания JP Freeman оценивает ежегодный рост этого сегмента на мировом рынке примерно в 42%), возникают и технические проблемы, подлежащие решению.

Надежность цифровых видеорегистраторов (DVR) в некоторых аспектах остается под сомнением — в частности, это касается жестких исков (HDD). Происходит это благодаря жестким условиям окружающей среды и собственно работы (недостаточная вентиляция, круглосуточные нагрузки), свойственным области применения устройств цифровой видеорегистрации.

К счастью, следуя нескольким простым рекомендациям, касающимся оптимизации конструктивного исполнения и установки цифровых видеорегистраторов, возможно существенно повысить уровень надежности жестких дисков.

Единственной угрозой долговечности хард-дисков остается тепло. Дело даже не в том, что тепловыделение является наиболее частой причиной выхода компонентов из строя — а в том, что оно влияет на производительность и стабильность системы.

Чтобы понять, насколько критичен теплоотвод для надежности работы дискового накопителя, полезным было бы вкратце рассмотреть принцип устройства и работы жесткого диска.

Как устроен жесткий диск В жестких дисках применяется магнитный способ записи и считывания данных с вращающихся пластин.

Микроскопические частицы магнитного материала, которым покрыты пластины, при записи под действием магнитного поля универсальной головки специальным образом переориентируются, и полученная ориентация считывается той же самой головкой в режиме чтения данных. Такое устройство стало возможным благодаря сверхмалому расстоянию между головкой и поверхностью пластины.

Зависая всего лишь в нескольких нанометрах над быстро вращающейся пластиной, магнитная головка подобна Боингу-747, летящему со скоростью 960 километров в час в 15-ти сантиметрах над землей.

Величина напряженности магнитного поля, создаваемого объектом, быстро падает по мере удаления от него; это закономерно и для магнитной головки, и для намагниченных частиц на поверхности пластины.

Следовательно, для обеспечения надежной записи и считывания информации головка должна быть на очень малом и неизменном расстоянии от пластины.

Любое прерывание физического либо магнитного взаимодействия головки с поверхностью пластины чревато потерей данных. Почему тепло губительно Чрезмерный нагрев может нарушить это чувствительное взаимодействие несколькими путями.

Универсальная головка отделена от поверхности пластины воздушной подушкой; при нагреве корпуса свыше 35°С воздух внутри расширяется до такой степени, что это может повлиять на высоту головки над поверхностью пластины. Несмотря на то, что конструкция накопителей предусматривает компенсацию изменяющегося при нагреве воздушного зазора, при нагреве нарушается целостность данных, изменяются магнитные свойства носителя, а в экстремальных ситуациях может произойти и потеря данных.

На режим обдува шасси устройства влияют его внутренний объем, производительность вентилятора охлаждения (измеряемая в кубических футах в минуту, или CFM) и количество вентиляторов.

Чем больше шасси корпуса, тем больше воздуха следует перемещать через шасси, чтобы достичь данной величины интенсивности потока (в CFM), проходящего через шасси.

Иногда, чтобы создать интенсивную циркуляцию в отдельных зонах корпуса, применяются вентиляторы меньшего размера, в то время как бОльшие по размеру высокопроизводительные вентиляторы гонят воздух по всему корпусу.

Ключ к достижению оптимального режима охлаждения, снижению энергозатрат и уровня эксплуатационного шума — соотнесение производительности и скорости вентилятора с объемом внутренней части корпуса и ее формой. Размер, форма и количество радиаторов На эффективность применения радиаторов влияют их масса, площадь поверхности и конфигурация ребер.

Более тяжелые радиаторы аккумулируют больше тепловой энергии, а радиаторы с большей площадью поверхности быстрее отдают эту энергию окружающему воздуху. Радиаторы с вертикальным расположением ребер более эффективны, так как в их охлаждении в большей степени участвует конвекция.

Теоретически установка добавочных радиаторов дает лучшие возможности охлаждения, однако сами радиаторы относительно дороги, и в действие вступает закон убывания прироста.

При правильном конфигурировании и расположении всего лишь несколько аккумуляторов способны значительно увеличить эффективность охлаждения системы.

Энергопотребление Потребляемая мощность внутренних компонентов системы значительно влияет на энергетический баланс и, следовательно, на его тепловыделение.

Эффективность блока питания Блок питания цифрового видеорегистратора преобразует напряжение питания переменного тока (обычно 120 или 220 вольт) в соответствующее напряжение постоянного тока (обычно 12 вольт и менее). Различные принципы построения блоков питания — к примеру, импульсный и трансформаторный — приводят к значительной разнице в собственном энергопотреблении блоков, имеющих на выходе одно и то же напряжение постоянного тока.

Более эффективные блоки питания расходуют меньше энергии на выработку того же самого напряжения на выходе, что, в свою очередь, приводит к тому, что меньше энергии рассеивается в качестве тепловой. Более того — такие высокоэффективные блоки питания, как правило, имеют меньшие габариты и потому занимают меньший объем в корпусе, что улучшает обдув системы.

Энергопотребление компонентов системы Центральный процессор, видеоподсистема (включая аппаратный кодек MPEG) и жесткие диски цифрового видеорегистратора вносят свой вклад в общее энергопотребление системы. В то время как центральный процессор несет на себе основные функции системы, работающий с ним в паре кодек MPEG конвертирует видеосигналы в цифровые данные, поступающие затем к жестким дискам для организации их записи и хранения.

В зависимости от количества подключенных к системе камер и желаемой частоты кадров входящих видеопотоков (измеряемой в кадрах в секунду, fps), результирующая нагрузка может потребовать более интенсивной работы от кодека и центрального процессора, а результате которой будет выделяться большее количество тепла.

Применение нескольких аппаратных кодеков для обработки дополнительных видеопотоков также увеличивает тепловыделение. Тщательное планирование зон видеонаблюдения способно снизить и количество камер, и минимальную частоту кадров, достаточную для покрытия объекта видеонаблюдением, тем самым снижая затраты на приобретение оборудования и рабочую нагрузку (а следовательно, и тепловыделение) на центральный процессор и аппаратный видеокодек цифрового видеорегистратора.

Если выбрать для хранения видеоинформации жесткие диски, сочетающие максимальную емкость на установочную единицу и высокотехнологичными возможностями управления энергопотреблением, это тоже способно внести свой вклад в снижение общего энергопотребления системы (см. ниже). Количество компонентов Обычно цифровой видеорегистратор использует только один центральный процессор, однако количество используемых накопителей на жестких дисках может колебаться от одного до нескольких или даже многих.

И каждый жесткий диск не только нагружает своими потребностями в электроэнергии системный блок питания, но и повышает общую вероятность отказа системы.

Уменьшение количества жестких дисков, используемое в целях экономии места в корпусах устройств, является самым простым и эффективным способом снизить энергопотребление системы и соответственно тепловыделение.

А за счет того, что в корпусе занято меньшее количество отсеков под жесткие диски, достигается и бОльшая интенсивность воздушного потока внутри шасси. Растущее предложение дисков высокой емкости (250, 400 и 500 Гбайт), специально предназначенных для цифровых видеорегистраторов, позволяет достичь огромных емкостей хранения при минимальном количестве установленных жестких дисков.

Диски новой конструкции также имеют встроенную систему управления электропитанием (см.ниже), позволяющую сэкономить еще больше электроэнергии и достичь высокой эффективности термических показателей. Практические применения Встроенные средства управления энергопотреблением жестких дисков будут играть все более значительную роль в минимизации тепловыделения в цифровых видеорегистраторов. Использование системы команд интерфейса ATA-7 позволяет приводам жестких дисков эффективно выполнять задачи, связанные с обработкой аудио- и видеоданных.

Остановка жестких дисков В обычном цифровом видеорегистраторе в каждый отдельно взятый момент времени запись видеоданных осуществляется только лишь одним жестким диском.

Хотя в этот момент доступа к остальным не осуществляется, они продолжают вращаться — и это является источником бесполезных затрат электроэнергии, дополнительного тепловыделения и нефункционального износа механических элементов жестких дисков. Новое поколение накопителей, будучи специально сконструированным для работы в цифровых видеорегистраторах, включает в себя интеллектуальные функции управления электропитанием, позволяющие отключать вращение не используемых в текущий момент времени приводов.

Это дает существенную экономию электроэнергии, поскольку находящийся в режиме холостого вращения диск потребляет мощность около 8 ватт, а тот же накопитель, но в «спящем» режиме — всего лишь 0.25 ватта. Снижая энергопотребление на величину до 96%, новые накопители имеют значительно большую эффективность с точки зрения энергозатрат, меньшие температуры нагрева и более высокие сроки службы. Уменьшение тока запуска жесткого диска Обычные накопители на жестких дисках требуют и значительно большие величины тока запуска при старте системы или выходе из спящего режима относительно тока, потребляемого при равномерном вращении.

Разгоняя пластины каждого из дисков до номинальной скорости и при этом обеспечивая электроэнергией все прочие компоненты системы, блок питания подвергается особенно жестким нагрузкам при запуске системы, когда одновременно идет включение всех установленных жестких дисков. Этот бросок тока требует установки более мощных (и, соответственно, дорогостоящих) блоков питания, выделяющих вследствие повышенной мощности более значительное количество тепла.

Специально предназначенные для цифровых видеорегистраторов накопители на жестких дисках потребляют значительно меньший пусковой ток (менее 2 ампер), что позволяет использовать блоки питания меньшего размера и стоимости. И снова в результате — повышение эффективности работы и снижение рабочей температуры.

Оптимизация стратегии записи/считывания в зависимости от типа данных Цифровые видеорегистраторы востребуют в основном операции с потоковыми медиа-данными, однако они должны обладать и способностью чтения и записи данных, структурированных обычными способами — для того, чтобы иметь возможность управлять базами видеоданных и приложениями, имеющими отношение к области применения систем.

Оптимальная эффективность может быть достигнута лишь тогда, когда стратегия записи/считывания накопителя соответствует типу данных, для хранения которых он используется.

Специально предназначенные для цифровых видеорегистраторов жесткие диски поддерживают систему команд ATA-7, позволяющую переключение профилей записи/считывания в зависимости от того, с какими данными в настоящий момент осуществляются операции — потоковыми либо обычными. Это гарантирует бОльшую надежность операций чтения/записи видеоданных и бОльшую целостность данных обычного типа.

Ограничивая ненужную активность диска, этот подход также снижает энергозатраты и температуры нагрева.

Вывод Оптимизация тепловыделения вашего цифрового видеорегистратора может принести целый ряд дивидендов: бОльшая степень надежности дисков и сохранности данных, увеличение срока службы составных частей системы плюс улучшенные эксплуатационные характеристики и стабильность работы системы.

Кроме этого, описанные выше шаги к снижению рабочих температур системы значительно повышают эффективность цифрового видеорегистратора с точки зрения потребления электроэнергии — а значит, и с точки зрения эксплуатационных затрат.