# Implementation Plan – Laser Cutter MQTT Display

> Dieses Dokument beschreibt die Entwicklungsreihenfolge des Projekts.  
> Tasks werden während der Entwicklung mit `[x]` abgehakt.

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## Phase 1 – Projekt-Setup & Konfiguration

- [x] **1.1** `platformio.ini` mit allen benötigten Bibliotheken erweitern
  - `MD_Parola`, `MD_MAX72XX`
  - `PubSubClient`
  - `WiFiManager` (tzapu/WiFiManager)
  - `ESPAsyncWebServer` + `AsyncTCP`
  - `ArduinoJson`
  - `ElegantOTA`
  - `Preferences` (ESP32 built-in, kein Extra-Eintrag nötig)

- [x] **1.2** `include/config.h` erstellen – zentrale Pin-Definitionen und Konstanten
  - GPIO-Pins (MAX7219 SPI, Laser-Signal)
  - Anzahl der Module (8), Zonen-Aufteilung
  - Standard-Werte (Gratiszeit 20s, MQTT Port 1883, etc.)
  - MQTT-Topic-Konstanten

- [x] **1.3** Build prüfen (leeres Projekt kompiliert fehlerfrei)

- [x] **1.4** Test Verdrahtung Dot-Matrix-Display
  - GYMAX7219-Module gemäß Pinbelegung angeschlossen (MOSI GPIO 23, CLK GPIO 18, CS GPIO 5)
  - Hardware-Typ `GENERIC_HW` (verifiziert; physische 90° Verdrehung per Software CCW kompensiert)
  - Externes 5 V-Netzteil erforderlich (~0,5 A / ~2,5 W gemessen; USB-Port reicht nicht)
  - SPI-Taktrate auf 1 MHz reduziert für stabile Ansteuerung aller 8 Module
  - Modul 1 oben-links, Modul 4 oben-rechts, Modul 5 unten-links, Modul 8 unten-rechts
  - Zone 0 (0-idx 0–3) = obere Reihe, Zone 1 (0-idx 4–7) = untere Reihe

- [x] **1.5** Test Verdrahtung Potentialfreier Schalter (Phase 1: Push Button)
  - Push Button an GPIO 4 und GND angeschlossen (INPUT_PULLUP, kein externer Widerstand nötig)
  - Pegel verifiziert: Button offen = HIGH, Button gedrückt = LOW → Polarität: LOW_ACTIVE
  - Debounce 50 ms funktioniert

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## Phase 2 – NVS Persistenz (`Settings`)

- [x] **2.1** `include/settings.h` + `src/settings.cpp` erstellen  
  Speichert und lädt alle Konfigurationswerte über ESP32 `Preferences` (NVS):
  - MQTT Broker IP, Port, User, Passwort
  - Gratiszeit (0–120 s)
  - Signal-Polarität (`LOW_ACTIVE` / `HIGH_ACTIVE`)
  - Akkumulierte Laserzeit (float, Minuten)
  - Globale Instanz `settings`, `settings.begin()` in `main.cpp`

- [x] **2.2** Unit-Test (Serial-Output): Werte schreiben, ESP32 neu starten, Werte lesen und verifizieren
  - `test_sketches/test_nvs.cpp` erstellt, `test-nvs` Environment in `platformio.ini`
  - Round-Trip-Test + Persistenz-Check über Neustart

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## Phase 3 – WiFi & WiFiManager

- [x] **3.1** WiFiManager einbinden
  - `include/wifi_connector.h` + `src/wifi_connector.cpp` erstellt
  - AP-Name: `LaserCutter-Setup` (aus `config.h`)
  - Captive-Portal-Seite für WLAN-Credentials
  - Timeout: 120 s, danach `ESP.restart()`

- [x] **3.2** Verbindungsstatus-Callback implementieren (für spätere Fehleranzeige)
  - `WifiStatusCallback`-Typ + `onStatusChange()` Methode
  - Status-Enum: `DISCONNECTED`, `AP_ACTIVE`, `CONNECTING`, `CONNECTED`
  - Globale Instanz `wifiConnector`, `wifiConnector.begin()` + `.loop()` in `main.cpp`

- [x] **3.3** Test: Erstverbindung mit neuem AP, gespeichertes WLAN nach Neustart automatisch verbinden
  - `test_sketches/test_wifi.cpp` erstellt, `test-wifi` Environment in `platformio.ini`
  - BOOT-Taste (GPIO 0, 3 s) löscht Credentials und erzwingt Portal
  - Erstverbindung via Captive Portal ✅, Auto-Reconnect nach Neustart ✅

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## Phase 4 – Dot-Matrix-Display (`DisplayManager`)

- [x] **4.1** `include/display_manager.h` + `src/display_manager.cpp` erstellen  
  Implementierung mit rohem `MD_MAX72XX` (nicht MD_Parola) für vollständige Rotationskontrolle:
  - Zone 0 (Module 0–3, obere Reihe): Laserzeit in Minuten
  - Zone 1 (Module 4–7, untere Reihe): Countdown / Statusmeldungen
  - `rotateCCW()` kompensiert physische 90°-CW-Verdrehung der Module
  - 17 Zeichen-Bitmaps definiert (0–9, Sonderzeichen, Buchstaben)

- [x] **4.2** Methoden implementiert:
  - `showLaserTime(float minutes)` – obere Zeile (4 Formate je Wertebereich)
  - `showCountdown(int seconds)` – untere Zeile, rechtsbündig (während Gratiszeit)
  - `showIdle()` – `  --` in unterer Zeile wenn kein Countdown aktiv
  - `showStatus(const char* msg)` – max. 4-Zeichen-Statusmeldung (untere Zeile)
  - `setBrightness()`, `allLedsOn()`, `allLedsOff()`, `clear()`, `printToSerial()`
  - `update()` – in `loop()` aufrufen (no-op, Interface für künftige Animationen)
  - `main.cpp` integriert: `display.begin()`, `display.showIdle()`, `display.update()`

- [x] **4.3** Test: `test_sketches/test_display_manager.cpp`, Environment `test-display-mgr`
  - Alle LEDs EIN/AUS ✅
  - `showLaserTime()` alle 12 Grenzwerte (0.0 – 9999.0 min) ✅
  - `showCountdown()` 5→0 ✅
  - `showIdle()` → `  --` ✅
  - `showStatus()` mit „Err ", „AP  ", „WiFi", „  oF" ✅
  - Realistischer Loop: Laserzeit steigt, Countdown 20→0, dann Idle ✅

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## Phase 5 – Laser-Signaldetektion & Zeit-Tracking (`LaserTracker`)

- [x] **5.1** `include/laser_tracker.h` + `src/laser_tracker.cpp` erstellt
  - Globale Instanz `laserTracker`, in `main.cpp` integriert

- [x] **5.2** GPIO-Eingang konfiguriert:
  - `INPUT_PULLUP` auf GPIO 4
  - Software-Debounce 50 ms (`LASER_DEBOUNCE_MS` aus `config.h`)
  - Polarität aus `settings.get().signalPolarity` (LOW_ACTIVE / HIGH_ACTIVE)

- [x] **5.3** Session-Logik implementiert:
  - `onSessionStart()` intern → `_sessionActive = true`, Timer setzen
  - `onSessionEnd()` intern → Netto-Sekunden berechnen, `_totalMinutesBase` addieren, NVS via `settings.saveTotalMinutes()`

- [x] **5.4** Gratiszeit-Logik:
  - Countdown läuft ab Session-Start
  - `getSessionSeconds()` gibt erst nach Ablauf der Gratiszeit > 0 zurück
  - `getCountdownRemaining()` → verbleibende Sekunden (0 wenn abgelaufen / inaktiv)
  - `getTotalMinutes()` = NVS-Basis + laufende Session-Netto-Minuten (Live-Anzeige)

- [x] **5.5** Öffentliche Getter:
  - `getTotalMinutes()` → float (Live)
  - `getSessionSeconds()` → int (Netto ohne Gratiszeit)
  - `getCountdownRemaining()` → int (verbleibende Gratiszeit)
  - `isActive()` → bool
  - `getLastSessionSeconds()` → int (letzte abgeschlossene Session, für MQTT)
  - `resetTotal()` → Gesamtzeit auf 0 + NVS-Speicherung

- [x] **5.6** Test: `test_sketches/test_laser_tracker.cpp`, Environment `test-laser-tracker`
  - Button GPIO 4 simuliert Laser-Signal
  - BOOT-Taste (GPIO 0, 3 s) löscht Gesamtzeit
  - Boot-Output: NVS-Werte geladen, Display zeigt Basiswert + Idle ✅
  - Manuelle Verifikation: Button drücken → Countdown, Netto-Zeit, Session-Ende → NVS

- [x] **5.7** `showSessionRing(int seconds)` – Kreisanzeige auf Modulen 5–7, 12-Uhr-Start, Uhrzeigersinn (Phase-5-Erweiterung)
  - 60 LEDs auf 3 Modulen (je 8×8, aber nur die äußere Reihe vollständig umlaufend)
  - Jede Sekunde NET_COUNTING: eine weitere LED zugeschaltet
  - Nach 60 Sekunden: Kreis voll, Minutenanzeige (Module 1–3) inkrementiert
  - Laser-AUS: Anzeige zurück auf `--`
  - Implementierung in `display_manager.h/cpp`
  - Aufruf in `main.cpp` während `NET_COUNTING` statt `showIdle()`

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## Phase 6 – MQTT Client (`MqttClient`)

- [x] **6.1** `include/mqtt_client.h` + `src/mqtt_client.cpp` erstellen  
  Wrapper um `PubSubClient`

- [x] **6.2** Verbindungsaufbau mit Credentials aus `Settings` (TLS automatisch bei Port 8883)

- [x] **6.3** Publish-Methode `publishSession(sessionSec, summeSession, gratisSec)`:
  - Topic: `lasercutter/session`
  - JSON-Felder (aktualisiert):
    - `session_minutes` (int, ceiling: 62 s = 2 min)
    - `session_seconds` (int, Rohwert Netto-Sekunden)
    - `freetime_s` (int)
    - `ip` (string)
  - Kein `total_min`, kein `session_start_time` (NTP später)
  - Wird von LaserTracker-Logik in main aufgerufen

- [x] **6.4** Publish-Methode `publishHeartbeat(totalMin, ipStr, uptimeSec)`:
  - Topic: `lasercutter/status` (retained)
  - Heartbeat alle 30 Sekunden
  - LWT `{"online":false}` bei Verbindungsverlust
  - JSON-Felder (aktualisiert):
    - `online` (bool)
    - `session_sum` (string, Summe Session in Minuten als string mit 2 Dezimalen)
    - `machine_running_time_min` (string, Maschinenlaufzeit aus NVS)
    - `ip` (string)
    - `uptime_s` (int)

- [x] **6.5** Subscribe auf `lasercutter/reset`:
  - Payload `"1"`, `{"reset":true}` oder `{"reset":1}` → `LaserTracker::resetTotal()` (NVS + RAM)
  - Payload `{"reset_session":true}` → `LaserTracker::resetSessionSum()` (nur RAM, NVS bleibt)
  - QoS 1

- [x] **6.6** Reconnect-Logik (Non-blocking, max. alle 10 Sekunden versuchen)

- [x] **6.7** Session-Publish bei Reset: `consumeSessionReset()` in `main.cpp` → ruft `publishSession()` mit akkumulierten Sekunden auf
  - Identisches JSON-Format wie normales Session-Ende

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## Phase 7 – Webinterface (`WebServer`)

- [x] **7.1** `include/web_server.h` + `src/web_server.cpp` erstellen  
  Basierend auf `ESPAsyncWebServer`

- [x] **7.2** Route `GET /` – Statusseite (HTML):
  - Summe Session (Minuten, RAM), Maschinenlaufzeit gesamt (NVS)
  - WLAN-Status (IP), MQTT-Status (verbunden/getrennt)
  - Broker-Info, Gratiszeit
  - Auto-Reload alle 10 s

- [x] **7.3** Route `GET /config` – Konfigurationsformular (HTML):
  - MQTT Broker IP, Port, User, Passwort
  - Gratiszeit (Slider 0–120 s)
  - Signal-Polarität (Radio-Button)

- [x] **7.4** Route `POST /config` – Konfiguration speichern (via `Settings`, NVS)  
  Redirect + Hinweis „Neustart für MQTT-Änderungen"

- [x] **7.5** Route `POST /reset` – Session-Summe zurücksetzen (`laserTracker.resetSessionSum()`)
  - Gesamtzeit (NVS) bleibt erhalten; Wartungsreset nur per MQTT `{"reset":true}` oder `resetTotal()`
  - Bug fix: `resetSessionSum()` setzt laufende Session-Timer korrekt zurück (vorher: `getAllSessionsSumMinutes()` blieb > 0)

- [x] **7.6** ElegantOTA unter `/update` einbinden  
  Flag `ELEGANTOTA_USE_ASYNC_WEBSERVER=1` in `platformio.ini`

- [x] **7.7** Button-Layout der Statusseite überarbeitet:
  - Alle 3 Buttons (Session zurücksetzen, Konfiguration, OTA Update) übereinander, gleich breit (`width:100%`)
  - Alle Buttons einheitlich blau (`btn-primary`), `btn-danger` entfernt
  - Flex-Layout mit `gap:.6rem` für gleichmäßigen Abstand

- [x] **7.8** Button-Layout der Konfigurationsseite vereinheitlicht:
  - `Speichern & Zurück` und `Abbrechen` nun gleich breit (`width:100%` über `.btn`-Klasse)
  - Identisches Flex-Spalten-Layout wie Statusseite (`display:flex;flex-direction:column;gap:.6rem;margin-top:1.5rem`)
  - Farben beibehalten: Blau (`#3182ce`) = Speichern, Grau (`#718096`) = Abbrechen

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## Phase 8 – Integration & Hauptprogramm (`main.cpp`)

- [x] **8.1** `main.cpp` aufräumen und alle Module initialisieren:
  - Reihenfolge: `Settings` → `DisplayManager` → `LaserTracker` → `WiFiConnector` (non-blocking) → Watchdog
  - MQTT + WebServer: Lazy-Init im `loop()` beim ersten WiFi-Connect
  - **Änderung gegenüber ursprünglicher Planung:** LaserTracker startet vor WiFi (Priorität 1)

- [x] **8.2** `loop()` implementiert (non-blocking, kein `delay()` außer 20 ms am Ende):
  - Priorität 1: `laserTracker.loop()` (immer zuerst)
  - Priorität 2: `wifiConnector.loop()` (non-blocking)
  - Lazy-Init: MQTT + WebServer beim ersten `wifiConnector.isConnected()`
  - MQTT: `mqttClient.loop()`, Session-Publish nach `consumeSessionEnd/Reset()`
  - Display rate-limited: W 500 ms-Blinker, Minuten-Update bei Änderung oder alle 60 s, Sekunden-Update alle 1 s, M nur bei Statuswechsel

- [x] **8.3** Callback von `LaserTracker` → `MqttClient.publishSession(...)` verdrahtet

- [x] **8.4** WLAN/MQTT-Fehlerzustand auf Display gespiegelt (rate-limited)

- [x] **8.5** Watchdog Timer aktivieren (ESP32 WDT, 30 s)

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## Phase 9 – OTA & Stabilisierung

- [x] **9.1** ElegantOTA via `web_server.cpp` eingebunden (kein separater `loop()`-Aufruf nötig)
  - `ELEGANTOTA_USE_ASYNC_WEBSERVER=1` → vollständig async, kein `ElegantOTA.loop()` in `main.cpp`
  - **Bugfix:** Include-Konflikt `ESPAsyncWebServer` ↔ `WiFiManager` (HTTP_GET/POST-Enum-Clash)
    gelöst via PIMPL-Pattern: `web_server.h` nur Forward-Declaration `AsyncWebServer*`,
    vollständiger `#include <ESPAsyncWebServer.h>` ausschließlich in `web_server.cpp`

- [x] **9.2** Serielles Logging vereinheitlichen: `LOG_D`-Makro in `config.h` ergänzt
  - Aktiv wenn `CORE_DEBUG_LEVEL >= 3`, sonst no-op

- [x] **9.3** Speicherleck-Monitoring: `ESP.getFreeHeap()` alle 30 s via `LOG_D` in `loop()`

- [x] **9.4** NTP-Zeitsynchronisation + `session_start_time` im MQTT-Session-Payload
  - `configTime(0, 0, "pool.ntp.org", "time.nist.gov")` in `wifi_connector.cpp` nach WLAN-Connect (auch Reconnect)
  - `waitForNtp()` blockiert max. 5 s bis Sync bestätigt (`getLocalTime()`), loggt Ergebnis via `LOG_I`
  - `LaserTracker::onSessionStart()` speichert `time(nullptr)` → `_sessionStartTime`
  - `publishSession()` formatiert UTC-Zeitstempel als ISO-8601 (`strftime`, `gmtime`)
  - Fallback `"unknown"` wenn NTP beim Session-Start noch nicht synchronisiert
  - Verifiziert: `{"session_start_time":"2026-02-23T...Z"}` im MQTT-Payload bestätigt

- [x] **9.5** Edge-Cases manuell getestet (Integrations-Hardware-Test):
  - Laser aktiv, WLAN getrennt → Display läuft weiter ✅
  - MQTT-Broker nicht erreichbar → Reconnect ✅
  - Reset während aktiver Session ✅
  - Neustart nach akkumulierter Zeit → Zeit korrekt aus NVS geladen ✅

- [x] **9.6** Webinterface mit HTTP-Basic-Auth abgesichert
  - `webUser` + `webPassword` in `Settings`-Struct + NVS-Keys in `config.h`
  - `saveWebCredentials()` in `SettingsManager`
  - `WebServerManager::requireAuth()` – prüft Auth, sendet 401 wenn nicht autorisiert
  - Standard: `webUser = "admin"`, `webPassword = ""` (leer = kein Schutz, rückwärtskompatibel)
  - Alle Routen (`/`, `/config`, `/reset`) + ElegantOTA (`ElegantOTA.setAuth()`) geschützt
  - Passwort änderbar über `/config`-Formular (neuer Abschnitt "Web-Zugang")
  - Forward-Declaration `AsyncWebServerRequest` in `web_server.h` ergänzt (Fix Compile-Fehler)
  - **Bug fix:** `requestAuthentication()` sendet standardmäßig Digest Auth; überschrieben mit `false` für Basic Auth
  - **Bug fix:** `webPassword[32]` zu `webPassword[64]` vergrößert (Passwort-Abschneiden bei 31 Zeichen)
  - **Bug fix:** POST `/config` überschrieb Passwort immer mit leerem String; leeres Feld = unveraendert lassen; `clear_auth`-Checkbox für explizites Löschen

- [x] **9.7** `resetSession()` umbenannt in `resetSessionSum()` (klarere Semantik)
  - `_sessionResetPending` Flag + `consumeSessionReset()` nach `consumeSessionEnd()`-Muster
  - Vor Reset: akkumulierte Netto-Sekunden in `_lastSessionSec` gesichert
  - `main.cpp`: `consumeSessionReset()` → `publishSession()` mit gesicherten Sekunden
  - MQTT `{"reset_session":true}` löst `resetSessionSum()` aus
  - Display zeigt nach Reset sofort 0 (alle Zeitakkumulatoren zurückgesetzt)

- [x] **9.8** WiFi-Architektur: vollständig non-blocking (Proposal B+D)
  - **Problem:** `wifiConnector.begin()` blockierte bis zu 2 Minuten → LaserTracker startete nie
  - `WiFiManager` als Pointer (`WiFiManager*`), lazy `new` in `begin()` (verhindert Crash durch globale Konstruktoren)
  - `WiFi.mode(WIFI_STA)` vor Credentials-Prüfung; `_wm->getWiFiSSID(true)` statt `WiFi.SSID()` (erfordert gestarteten Stack)
  - Credentials vorhanden: `WiFi.begin()` non-blocking, Ergebnis in `loop()` geprüft
  - Keine/falsche Credentials: `setConfigPortalBlocking(false)` + `setConnectTimeout(1)` → Portal sofort, Verarbeitung via `_wm->process()` in `loop()`
  - Nach 3 Fehlversuchen (je 15 s): `startConfigPortal()` → User kann neue Credentials eingeben
  - `onConnect()`: `_wm->stopWebPortal()` vor AsyncWebServer-Start (verhindert Port-80-Konflikt)
  - MQTT + WebServer: Lazy-Init erst bei erstem WiFi-Connect
  - Display: rate-limited (W 500 ms-Blinker, Minuten bei Änderung/60 s, Sekunden 1 s, M bei Statuswechsel)
  - Verifiziert: LaserTracker läuft sofort nach Neustart, unabhängig vom WiFi-Status ✅

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## Phase 10 – Dokumentation & Abschluss

- [ ] **10.1** README.md finalisieren (Screenshots, Schaltplan-Skizze ggf. ergänzen)

- [ ] **10.2** `platformio.ini` mit finalen Library-Versionen dokumentieren

- [ ] **10.3** MQTT-Topics in README.md validieren (mit realem Broker testen)

- [ ] **10.4** Optionaler Schaltplan (Fritzing / ASCII) für Laser-Signal-Anschluss (Optokoppler)

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## Abhängigkeitsdiagramm (Reihenfolge)

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Phase 1 (Setup)
    └── Phase 2 (NVS/Settings)
            ├── Phase 3 (WiFi)
            ├── Phase 4 (Display)
            └── Phase 5 (LaserTracker)
                    └── Phase 6 (MQTT)
                            └── Phase 7 (Webinterface)
                                    └── Phase 8 (Integration)
                                            └── Phase 9 (OTA/Stabilisierung)
                                                    └── Phase 10 (Doku)
```

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## Verwendete MQTT-Topics (Überblick)

| Topic                  | Richtung  | QoS | Auslöser                      |
|------------------------|-----------|-----|-------------------------------|
| `lasercutter/session`  | Publish   | 1   | Session-Ende (Laser inaktiv) oder Session-Reset |
| `lasercutter/status`   | Publish   | 0   | Heartbeat alle 60 s           |
| `lasercutter/reset`    | Subscribe | 1   | `{"reset":true}` = Gesamt-Reset (NVS+RAM), `{"reset_session":true}` = nur Session-Summe (RAM) |

### MQTT JSON-Formate

**`lasercutter/session`**
```json
{
  "session_minutes": 2,
  "session_seconds": 125,
  "session_start_time": "2026-02-23T12:34:56Z",
  "freetime_s": 20,
  "ip": "192.168.1.100"
}
```

**`lasercutter/status`** (retained)
```json
{
  "online": true,
  "session_sum": "2.08",
  "machine_running_time_min": "1234.75",
  "ip": "192.168.1.100",
  "uptime_s": 3600
}
```

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*Erstellt: 22. Februar 2026*