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# Laser Cutter Dot Matrix Display und MQTT Client
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Dieses Projekt implementiert einen ESP32-basierten MQTT-Client mit Dot-Matrix-Display für einen Laser Cutter. Es misst und visualisiert die aktive Laserzeit, sendet Session-Daten an einen MQTT-Broker und bietet ein Browser-Webinterface zur Konfiguration und Steuerung.
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## Inhaltsverzeichnis
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1. [Hardware](#hardware)
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2. [Pinbelegung](#pinbelegung)
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3. [Display](#display)
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4. [Laser-Signaldetektion](#laser-signaldetektion)
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5. [Zeit-Tracking & Gratiszeit](#zeit-tracking--gratiszeit)
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6. [MQTT Client](#mqtt-client)
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7. [Webinterface](#webinterface)
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8. [Konfiguration & Persistenz](#konfiguration--persistenz)
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9. [WiFi-Setup (WiFiManager)](#wifi-setup-wifimanager)
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10. [OTA Firmware-Update](#ota-firmware-update)
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11. [Fehlerverhalten](#fehlerverhalten)
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12. [Bibliotheken](#bibliotheken)
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13. [Build & Flash](#build--flash)
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14. [Tests](#tests)
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15. [Beitragen / Commits](#beitragen--commits)
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## Skizze und Screenshots
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Das Bild zeigt die physische Anordnung der 8 GYMAX7219-Module im 4×2-Format mit LED-Positionen und Beschriftung der Anzeigebereiche.
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### LaserCutter Display
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[X] Ändere den Begriff "Session" in "aktuelle Laserzeit" (das ist die aktuelle Session)
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[X] Letzer Burst entspricht "aktueller Laserzeit". Dieser Begriff "Burst" kann weg.
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[X] Ergänze "Summe Laserzeit" (Das ist die aktuelle Summer aller Session bis zu einem manuellen Reset über das Web, MQTT, Button oder Restart)
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[X] Ersetze "Gesamtzeit (NVS)" durch "Maschinenlaufzeit (gesamt)"
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### Konfiguration
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### OTA Firmware-Update Seite
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## Hardware
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| Komponente | Modell / Beschreibung |
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| Mikrocontroller | AZ-Delivery ESP32 DevKit V4 |
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| Dot-Matrix-Display | 8× GYMAX7219 Module (kompatibel zu MAX7219), 8×8 LEDs je Modul, Typ: `GENERIC_HW` |
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| Display-Anordnung | 4 Module nebeneinander × 2 Reihen = 32×16 LEDs |
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| Display-Kaskadierung | Alle 8 Module in einer einzigen SPI-Kette |
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| Stromversorgung Display | **Externes 5 V-Netzteil erforderlich** (gemessen: ~0,5 A / ~2,5 W bei 8 Modulen, Vollast bis ~2 A möglich) – ESP32 USB-Port reicht nicht aus |
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| Laser-Aktivsignal | Potentialfreier Ausgang des Laser Cutters (Optokoppler empfohlen) |
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| Optional | Shelly PM Mini G3 als externer Leistungszähler (separater MQTT-Service) |
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## Pinbelegung
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| Signal | ESP32 GPIO | Beschreibung |
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|---------------|-----------|-----------------------------------------------------------|
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| MAX7219 MOSI | GPIO 23 | SPI Data (VSPI) → DIN Modul 1 |
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| MAX7219 CLK | GPIO 18 | SPI Clock (VSPI) |
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| MAX7219 CS | GPIO 5 | SPI Chip Select (alle Module) |
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| Laser-Signal | GPIO 4 | Potentialfreier Eingang (INPUT_PULLUP, konfigurierbar) |
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> Die Polarität des Laser-Signals (`LOW_ACTIVE` oder `HIGH_ACTIVE`) ist über das Webinterface konfigurierbar.
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### SPI-Ketten-Schaltbild
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```
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ESP32 OBERE REIHE UNTERE REIHE
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GPIO 23 (MOSI) ─── DIN ┌──────┐ DOUT─DIN ┌──────┐ DOUT─DIN ┌──────┐ DOUT─DIN ┌──────┐
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│ M 1 │ │ M 2 │ │ M 3 │ │ M 4 │
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│oben │ │ │ │ │ │oben │
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│links │ │ │ │ │ │rechts│
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GPIO 18 (CLK) ─────────┤ CLK ├──────────┤ CLK ├──────────┤ CLK ├──────────┤ CLK ├──
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GPIO 5 (CS) ─────────┤ CS ├──────────┤ CS ├──────────┤ CS ├──────────┤ CS ├──
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└──────┘ └──────┘ └──────┘ └──┬───┘
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│ DOUT
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┌──────┐ DOUT─DIN ┌──────┐ DOUT─DIN ┌──────┐ DOUT─DIN ┌──┴───┐
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│ M 8 │ │ M 7 │ │ M 6 │ │ M 5 │
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│unten │ │ │ │ │ │unten │
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│rechts│ │ │ │ │ │links │
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GPIO 18 (CLK) ─────────┤ CLK ├──────────┤ CLK ├──────────┤ CLK ├──────────┤ CLK │
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GPIO 5 (CS) ─────────┤ CS ├──────────┤ CS ├──────────┤ CS ├──────────┤ CS │
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└──────┘ └──────┘ └──────┘ └──────┘
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```
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> **Hinweis:** Die untere Reihe läuft im Schaltbild von rechts nach links, weil DOUT von Modul 4
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> direkt zu DIN von Modul 5 geführt wird. MD_Parola berücksichtigt das automatisch.
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## Display
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Das Display besteht aus 8 GYMAX7219-Modulen in einer **4×2-Anordnung** (32×16 LEDs gesamt).
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Es ist in **zwei Zonen** aufgeteilt, die unabhängig voneinander beschrieben werden.
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### Physisches Layout
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```
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DIN ← ESP32 GPIO 23
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↓
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┌─────────┬─────────┬─────────┬─────────┐
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│ Modul 1 │ Modul 2 │ Modul 3 │ Modul 4 │ ← Zone 0 (oben) 0-idx: 0–3
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│ oben │ │ │ oben │ idx 0 -> Anzeige: WiFi-Fehler (E = Fehler, leer = OK)
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│ links │ │ │ rechts │ idx 1 -3 -> Anzeige: Summe Laserzeit (Minuten) -> Summe aller Sessions bis zum Reset
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├─────────┼─────────┼─────────┼─────────┤
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│ Modul 5 │ Modul 6 │ Modul 7 │ Modul 8 │ ← Zone 1 (unten) 0-idx: 4–7
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│ unten │ │ │ unten │ idx 4 -> Anzeige: MQTT-Fehler (E = kein Broker, leer = OK)
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│ links │ │ │ rechts │ idx 5 -7 -> Anzeige: Countdown / Status
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└─────────┴─────────┴─────────┴─────────┘
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SPI-Kette: ESP32 → M1 → M2 → M3 → M4 → M5 → M6 → M7 → M8
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```
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**Hardware-Typ:** `GENERIC_HW` (verifiziert durch Hardware-Test; physische Ausrichtung erfordert 90° CCW Software-Rotation)
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> **Stromversorgung:** Die 8 Module müssen über ein **externes 5 V-Netzteil** versorgt werden. GND des Netzteils mit ESP32-GND verbinden. Gemessene Leistungsaufnahme im Betrieb: ca. **0,5 A / 2,5 W**; bei allen LEDs EIN (Testmuster) bis ca. 2 A möglich.
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### Modul-Belegung
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| Modul(e) | 0-Index | Physisch | Anzeige-Inhalt |
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|----------|---------|-------------------|---------------------------------------------------------------|
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| 0 | 0 | Oben links | **WiFi-Fehler** (`E` = kein WLAN, leer = OK) |
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| 1–3 | 1–3 | Oben Mitte–rechts | **Session-Minuten** ganzzahlig (0 bei Neustart, RAM-only) |
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| 4 | 4 | Unten links | **MQTT-Fehler** (`E` = kein Broker, leer = OK) |
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| 5–7 | 5–7 | Unten Mitte–rechts| **Countdown** (Gratiszeit in Sek.) oder `--` (Idle/Netto) |
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- Summe Session (Module 1–3) inkrementiert mit **jeder angefangenen Minute pro Session** (Ceiling). Beispiel: 10 s Netto = +1 Min, 65 s Netto = +2 Min (1 bei Sekunde 1, 2 ab Sekunde 61).
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- Die Netto-Zeit beginnt erst nach Ablauf der Gratiszeit (Laser muss länger als `gratisSeconds` aktiv bleiben).
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- Die Anzeige aktualisiert sich im `loop()` ohne Blocking-Delays.
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- Bibliotheken: `MD_MAX72XX` (direkte Puffer-Steuerung, keine MD_Parola)
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## Laser-Signaldetektion
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Der ESP32 überwacht einen **digitalen GPIO-Eingang** mit internem Pull-Up-Widerstand (`INPUT_PULLUP`).
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Der potentialfreie Ausgang des Laser Cutters (z.B. Schließer-Kontakt über Optokoppler) wird an diesen Pin angeschlossen.
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- **Polarität konfigurierbar**: Im Webinterface einstellbar, ob `LOW` oder `HIGH` den aktiven Zustand bedeutet.
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- **Debounce**: Software-Entprellung, um Fehlmessungen bei Schaltflanken zu vermeiden. [TODO] Parameter für Debounce-Zeit (z.B. 50 ms) konfigurierbar machen.
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- Eine **Session** beginnt, wenn der Laser aktiv wird, und endet, wenn er inaktiv wird.
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- Eine Session besteht aus Abglaufener Gratizeit + Laser-AN-Zeit (Netto-Zeit). Eine "Session" ohne Laser Zeit ist keine Session und wird auch nicht als MQTT Session veröffentlicht. Unabhängig von einer vollständigen Session wird die Laser-AN-Zeit immer in der NVS-Gesamtzeit akkumuliert (für Wartungsintervalle).
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## Zeit-Tracking & Gratiszeit
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### Drei getrennte Zeitkreise
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| Kreis | Speicher | Reset | Verwendung |
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|---|---|---|---|
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| **Session-Minuten** | RAM | bei Neustart / `resetSession()` | MQTT Session in Minuten, Web-UI |
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| **Summe Session** | RAM | bei Neustart / `resetSession()` | Display Module 1–3, Web-UI, nicht in MQTT |
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| **Gesamtzeit** | NVS (`total_min`) | nur per `resetTotal()` | MQTT, Web-UI, Wartungsstatistik |
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### Session-Zustandsmaschine
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Jedes Laser-AN-Ereignis durchläuft drei Zustände:
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```
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INACTIVE ──(Laser an)──► GRATIS ──(Gratiszeit abgelaufen)──► NET_COUNTING
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▲ │ │
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└───────────────────────┴──────────(Laser aus)─────────────────┘
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```
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| Zustand | Display unten | Netto-Zeit | NVS |
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|---|---|---|---|
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| `INACTIVE` | `--` | – | – |
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| `GRATIS` | Countdown (z.B. `19`, `18`, ...) | läuft nicht | – |
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| `NET_COUNTING` | Sekundenzähler siehe Session-Sekunden | läuft | – |
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| → Laser aus (aus `NET_COUNTING`) | `--` | wird addiert | gespeichert |
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| → Laser aus (aus `GRATIS`) | `--` | 0 addiert | Dauer verwendeter Gratiszeit wird gespeichert |
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### Gratiszeit
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- Konfigurierbar: 0–120 Sekunden (Standard: **20 s**)
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- Startet **neu bei jedem** Laser-AN-Ereignis
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- Geht der Laser während der Gratiszeit wieder aus: keine Session-Zeit, aber NVS zählt die Einschaltdauer
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- Einstellbar über das Webinterface
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### NVS-Gesamtzeit
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Zählt **jede Sekunde Laser-AN**, inklusive Gratiszeit. Eignet sich für Wartungsintervalle (tatsächliche Einschaltdauer des Lasers).
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### Session-Minuten (Display)
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Zählt nur die **Netto-Zeit** (nach Ablauf der Gratiszeit). Jede **angefangene Minute pro Session** wird aufgerundet gezählt (Ceiling). Beispiele:
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- Session mit 10 s Netto → +1 Minute
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- Session mit 65 s Netto → live +1 bei Sekunde 1–60, dann +2 ab Sekunde 61
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- Session mit 120 s Netto → live +1 bei Sek. 1–60, +2 ab Sek. 61–120
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Wird bei Neustart und `resetSession()` auf 0 zurückgesetzt.
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### Session-Sekunden
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Dies wird in Form eines umlaufenden Kreis um die Module 5–7 angezeigt wie es auf einer Analogen Uhr überlich ist. 3 Module haben umlaufenden 60 Leds. Jede Sekunden wird eine weitere LED dazu geschaltet. Nach 60 Sekunden ist der Kreis voll und die Minutenanzeige (Module 1–3) wird inkrementiert. Bei Laser-Aus wird diese Anzeige wieder auf "--" zurückgesetzt.
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## MQTT Client
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Der ESP32 verbindet sich mit einem MQTT-Broker (konfigurierbar über Webinterface).
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### Topics
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| Richtung | Topic | Format | Beschreibung |
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|------------|---------------------------|------------------------------|-------------------------------------------|
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| Publish | `lasercutter/session` | JSON | Wird beim **Ende eines Laser-Bursts** gesendet |
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| Publish | `lasercutter/status` | JSON (retained) | Heartbeat alle 60 Sekunden + LWT (online/offline) |
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| Subscribe | `lasercutter/reset` | `{"reset":true}` oder `"1"` | Setzt die akkumulierte Laserzeit auf 0 |
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### JSON-Format `lasercutter/session`
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```json
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{
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"session_minutes": 2,
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"session_seconds": 95,
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"session_start_time": "2026-02-23T12:34:56Z",
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"freetime_s": 20,
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"ip": "192.168.2.62"
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}
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```
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> `session_start_time` ist ein UTC-Zeitstempel (ISO 8601), synchronisiert via NTP (`pool.ntp.org`) unmittelbar nach WLAN-Connect.
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> Wert `"unknown"` wenn die NTP-Synchronisation beim Session-Start noch nicht abgeschlossen war.
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### JSON-Format `lasercutter/status`
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```json
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{
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"online": true,
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"session_sum": "42.50",
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"machine_running_time_min": "1234.75",
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"ip": "192.168.1.100",
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"uptime_s": 3600
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}
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```
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### LWT (Last Will and Testament)
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Bei Verbindungsabbruch sendet der Broker automatisch auf `lasercutter/status`:
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```json
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{"online": false}
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```
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### Verhalten
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- Non-Blocking Reconnect alle 10 s, falls MQTT-Broker nicht erreichbar.
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- Bei aktivem Laser läuft die Zeitmessung unabhängig vom MQTT-Status weiter.
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- Client-ID: `lasercutter-display-XXXXXX` (mit MAC-Suffix, eindeutig auf Public Broker).
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- TLS (Port 8883): wird automatisch aktiviert wenn Port 8883 konfiguriert ist (`WiFiClientSecure`, `setInsecure`).
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## Webinterface
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Das Webinterface ist über die IP-Adresse des ESP32 im Browser erreichbar.
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| Seite | URL | Funktion |
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|------------------|-------------|--------------------------------------------------------------|
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| Status | `/` | Aktuelle Laserzeit, letzter Session-Wert, Systemstatus |
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| Konfiguration | `/config` | MQTT-Broker (IP, Port, User, Passwort), Gratiszeit, Polarität, Web-Passwort |
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| Reset | `/reset` | Setzt akkumulierte Laserzeit zurück |
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| OTA Update | `/update` | Firmware-Update über Browser |
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> Alle Seiten sind per **HTTP Basic Auth** geschützt, wenn in der Konfiguration ein Web-Passwort gesetzt ist.
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## Konfiguration & Persistenz
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Alle Einstellungen werden im **NVS (Non-Volatile Storage)** des ESP32 gespeichert und sind über das Webinterface änderbar:
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| Einstellung | Standard | Beschreibung |
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|-----------------------|---------------|-----------------------------------------|
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| MQTT Broker | `broker.hivemq.com` | Hostname oder IP des MQTT-Brokers |
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| MQTT Port | `1883` | Port des MQTT-Brokers (8883 = TLS auto) |
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| MQTT User | *(leer)* | MQTT Benutzername (optional) |
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| MQTT Passwort | *(leer)* | MQTT Passwort (optional) |
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| Gratiszeit | `20` | Sekunden, 0–120 |
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| Signal-Polarität | `LOW_ACTIVE` | `LOW_ACTIVE` oder `HIGH_ACTIVE` |
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| Akkumulierte Zeit | `0.0` | Gespeicherte Laserzeit in Minuten (NVS) |
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| Web-Benutzername | `admin` | HTTP-Basic-Auth Benutzername |
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| Web-Passwort | *(leer)* | Leer = kein Passwortschutz; setzen über `/config` |
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## WiFi-Setup (WiFiManager)
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Beim ersten Start (oder wenn keine gespeicherten WLAN-Daten vorhanden) öffnet das Gerät einen **Access Point** mit Captive Portal:
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- SSID: `LaserCutter-Setup`
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- Im Browser öffnet sich automatisch die Konfigurationsseite.
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- WLAN-Credentials werden nach erfolgreicher Verbindung im NVS gespeichert.
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## OTA Firmware-Update
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Firmware-Updates können kabellos über die Weboberfläche unter `/update` eingespielt werden (ElegantOTA).
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## Fehlerverhalten
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| Zustand | Modul 0 (oben links) | Modul 4 (unten links) | Verhalten |
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|-----------------------|---------------------|-----------------------|---------------------------------------|
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| WLAN getrennt | `E` (blinkt) | – | Zeiterfassung läuft weiter, Reconnect |
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| MQTT nicht erreichbar | – | `E` (blinkt) | Zeiterfassung läuft weiter, Reconnect |
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| WLAN + MQTT OK | leer | leer | Normaler Betrieb |
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## Bibliotheken
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| Bibliothek | Zweck |
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|-----------------------|---------------------------------------------------------------------|
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| `MD_MAX72XX` | Treiber für MAX7219/GYMAX7219, direkte Puffer-Steuerung |
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| `MD_Parola` | (Dependency von MD_MAX72XX, nicht direkt genutzt) |
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| `PubSubClient` | MQTT Client |
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| `WiFiManager` | WiFi Captive Portal |
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| `ESPAsyncWebServer` | Asynchroner Webserver |
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| `AsyncTCP` | TCP-Basis für ESPAsyncWebServer |
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| `ArduinoJson` | JSON Serialisierung/Deserialisierung |
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| `Preferences` | NVS-Zugriff (built-in ESP32 Arduino) |
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| `ElegantOTA` | OTA-Update über Webinterface |
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## Build & Flash
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```bash
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# Haupt-Firmware bauen und flashen
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pio run -e az-delivery-devkit-v4 --target upload
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# Serieller Monitor
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pio device monitor
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```
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||
Ziel-Board: `az-delivery-devkit-v4` (ESP32), Upload-Port: `COM3`
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## Projektstruktur
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```
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MQTT-Display-LaserCutter/
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├── src/
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│ ├── main.cpp # Hauptprogramm
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│ ├── display_manager.cpp # Display-Implementierung (MD_MAX72XX)
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│ ├── laser_tracker.cpp # Signal-Detektion, Burst-Logik, Zeiterfassung
|
||
│ ├── settings.cpp # NVS-Persistenz (Preferences)
|
||
│ ├── wifi_connector.cpp # WiFiManager-Wrapper
|
||
│ ├── mqtt_client.cpp # MQTT-Wrapper (PubSubClient, TLS, Phase 6)
|
||
│ └── web_server.cpp # Webinterface (ESPAsyncWebServer, Phase 7)
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||
├── include/
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||
│ ├── config.h # Pin-Definitionen, Konstanten
|
||
│ ├── display_manager.h # Display-API (showLaserTime, showCountdown, ...)
|
||
│ ├── laser_tracker.h # SessionState-Maschine, getAllSessionsSumMinutes(), ...
|
||
│ ├── settings.h # Settings-Struct, SettingsManager
|
||
│ ├── wifi_connector.h # WiFi-Verbindungsmanagement
|
||
│ ├── mqtt_client.h # (Phase 6) MQTT-Wrapper (PubSubClient)
|
||
│ └── web_server.h # (Phase 7) Webinterface (ESPAsyncWebServer)
|
||
├── test_sketches/
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||
│ ├── test_display.cpp # 1.4 - GYMAX7219 Moduldignose
|
||
│ ├── test_button.cpp # 1.5 - Potentialfreier Schalter
|
||
│ ├── test_nvs.cpp # 2.2 - NVS Persistenz
|
||
│ ├── test_wifi.cpp # 3.3 - WiFiManager
|
||
│ ├── test_display_manager.cpp # 4.3 - DisplayManager
|
||
│ ├── test_laser_tracker.cpp # 5.6 - LaserTracker
|
||
│ ├── test_mqtt_client.cpp # 6.5 - MqttClient (TLS, Session, Heartbeat)
|
||
│ ├── test_web_server.cpp # 7.7 - WebServer (Routen, Config, OTA)
|
||
│ └── mqtt_test_secrets.h # (gitignoriert) persönliche Broker-Credentials
|
||
├── platformio.ini
|
||
└── README.md
|
||
```
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## Tests
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Die tests sind in `test_sketches/` als eigenständige Sketches organisiert, die jeweils spezifische Funktionalitäten der Hardware oder Software testen.
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||
Auch die Beschreibung der tests befindet sich in der README.md in dem Verzeichneis `test_sketches/` um die Übersicht zu behalten.
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## Implementierungsstand
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| Phase | Beschreibung | Status |
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|-------|-------------|--------|
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| 1 | Hardware-Grundtest (Display, Button) | ✅ abgeschlossen |
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| 2 | NVS-Persistenz (Settings) | ✅ abgeschlossen |
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| 3 | WiFiManager | ✅ abgeschlossen |
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| 4 | DisplayManager | ✅ abgeschlossen |
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| 5 | LaserTracker (Burst-Logik, Zeiterfassung) | ✅ abgeschlossen |
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||
| 6 | MqttClient (PubSubClient, TLS, Heartbeat, Session) | ✅ implementiert / ⚠️ 2 Punkte ungetestet |
|
||
| 7 | WebServer (ESPAsyncWebServer, Config-UI, OTA) | ✅ implementiert / ⏳ Hardware-Test ausstehend |
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| 8 | Integrationstest (Display + MQTT + Web) | ⏳ ausstehend |
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| 9 | Gehäuse / Hardware-Finish | ⏳ ausstehend |
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| 10 | Produktiv-Deployment, Dokumentation final | ⏳ ausstehend |
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## Beitragen / Commits
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Dieses Projekt verwendet **[Conventional Commits](https://www.conventionalcommits.org/)** für alle Git-Commit-Nachrichten.
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### Format
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```
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<type>(<scope>): <kurze Beschreibung>
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[optionaler Body]
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[optionaler Footer]
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```
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### Wichtigste Typen
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||
| Typ | Verwendung |
|
||
|---|---|
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||
| `feat` | Neues Feature |
|
||
| `fix` | Bugfix |
|
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| `docs` | Nur Dokumentation |
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| `refactor` | Code-Umstrukturierung ohne Feature/Fix |
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| `test` | Test-Sketches / Test-Code |
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| `chore` | Build-System, Abhängigkeiten, Konfiguration |
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### Beispiele
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feat(display): add GENERIC_HW rotation compensation
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fix(nvs): prevent crash on empty broker string
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docs(readme): add power supply requirements
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chore(platformio): reduce SPI clock to 1 MHz for stability
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Breaking Changes werden mit `!` nach dem Typ markiert oder im Footer mit `BREAKING CHANGE:` beschrieben. |