# Firmware libraries — research notes (Sprint 1 prep)

Investigación realizada antes de planificar el Sprint 1 para elegir las
librerías del firmware ESP32. Documento de referencia — no normativo, solo
para que tengamos trazabilidad de por qué se eligió cada cosa.

Fecha: 2026-05-18.

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## 1. NMEA 2000 stack

### Decisión: `ttlappalainen/NMEA2000-library` + `ttlappalainen/NMEA2000_esp32`

**Por qué es el estándar de facto:**

- Es la stack NMEA 2000 más adoptada del ecosistema open-source para
  microcontroladores. Casi todos los proyectos NMEA 2000 de aficionados
  y muchos productos comerciales pequeños la usan.
- Cubre tanto consumo como publicación de PGN.
- Mantenida desde 2015, sigue activa.

**Componentes:**

| Repo | Rol |
|---|---|
| [`ttlappalainen/NMEA2000`](https://github.com/ttlappalainen/NMEA2000) | Stack core (parsing, PGNs, NMEA2000 class). Independiente de hardware |
| [`ttlappalainen/NMEA2000_esp32`](https://github.com/ttlappalainen/NMEA2000_esp32) | Driver CAN específico para ESP32. Incluye su propio low-level driver — no requiere libs adicionales |

**Configuración por defecto:**

- TX pin: `GPIO 16`
- RX pin: `GPIO 4`
- Override: definir `ESP32_CAN_TX_PIN` y `ESP32_CAN_RX_PIN` antes de
  incluir los headers.

**Framework support:**

- ✅ Arduino framework
- ✅ ESP-IDF (añadido oficialmente en 2022)
- → Compatible con la decisión "Arduino-as-ESP-IDF-component"

**Licencia:** MIT (compatible con producto comercial propietario).

**Hardware externo necesario:**

- Transceiver CAN físico: Microchip MCP2562, NXP TJA1051T, o similar.
  Conecta los pines GPIO16/4 del ESP32 al bus diferencial CAN-H/CAN-L
  del backbone NMEA 2000. El driver de la librería NO incluye el
  hardware del transceiver — es un chip aparte en la tarjeta
  AR-NMEA-IO. (Probablemente ya lo tienes en la v1.0 que diseñaste.)

**PGN que vamos a consumir en Sprint 1:**

| PGN | Nombre | Contenido relevante |
|---|---|---|
| 127250 | Vessel Heading | heading (rad), deviation, variation, reference (true/magnetic) |
| 127251 | Rate of Turn | rate (rad/s) |

**Snippet de referencia para Sprint 1 (no es código final):**

```cpp
#include <NMEA2000_CAN.h>     // selects ESP32 driver automatically
#include <N2kMessages.h>

void HandleHeading(const tN2kMsg &N2kMsg) {
    unsigned char SID;
    double Heading, Deviation, Variation;
    tN2kHeadingReference HeadingReference;
    if (ParseN2kHeading(N2kMsg, SID, Heading, Deviation, Variation, HeadingReference)) {
        // Heading in radians; convert to degrees for our use
        gLastHeadingDeg = Heading * 180.0 / M_PI;
        gLastHeadingTimestamp = millis();
    }
}

void setup() {
    NMEA2000.SetN2kCANMsgBufSize(8);
    NMEA2000.SetMsgHandler(HandleHeading);   // registers for ALL PGNs;
                                              // we filter inside the handler
    NMEA2000.Open();
}

void loop() {
    NMEA2000.ParseMessages();   // call frequently from a dedicated task
}
```

Esto es **orientativo**. En el sprint lo encapsulamos en una tarea
FreeRTOS dedicada (`nmea2000_rx_task` en Core 0).

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## 2. Modbus RTU server (slave)

### Decisión: `eModbus/eModbus` v1.7.4

**Comparación rápida:**

| Lib | Slave RTU | Async/Tasks FreeRTOS | Mantenimiento | Veredicto |
|---|---|---|---|---|
| `eModbus/eModbus` v1.7.4 (2025-06) | ✅ | ✅ tasks separados, no bloquea | Activo | **Elegida** |
| `emelianov/modbus-esp8266` (a.k.a. `modbus-esp32`) | ✅ | Parcial | Activo | Alternativa válida |
| `MrMoses1911/ModbusRTU_ESP32` | ✅ | No documentado | Menor adopción | Descartada |
| `ArduinoModbus` (oficial Arduino) | ✅ | No | Mantenida pero feature-pobre | Descartada |
| `bertmelis/esp32ModbusRTU` | ❌ solo cliente | ✅ | Activo | No aplica (cliente, no slave) |

**Por qué eModbus:**

- Único que documenta explícitamente "Modbus communication is done in
  separate tasks" y API "non blocking / asynchronous" → el lazo PID no
  se bloquea jamás por tráfico Modbus.
- Soporta RTU, ASCII y TCP — si en el futuro queremos pasar a Modbus
  TCP por Ethernet/WiFi, es la misma librería.
- Versión estable reciente (junio 2025).
- Licencia MIT.

**Punto a verificar en Fase 1.3:**

⚠️ El README de eModbus no confirma explícitamente que la librería
maneje sola la línea **DE/RE** (Driver Enable / Receiver Enable) del
transceiver RS-485 MAX485 / MAX3485. Si no lo hace, escribimos un
wrapper de ~30 líneas que toggle el `PIN_RS485_DE` del pinout antes
y después de cada respuesta.

**Framework support:**

- ✅ Arduino framework (confirmado)
- ❓ ESP-IDF nativo (no confirmado explícitamente; lo verifico al
  integrarlo)

Si ESP-IDF nativo no está soportado: igual funciona desde el componente
Arduino dentro de un proyecto ESP-IDF (eso es el patrón
Arduino-as-ESP-IDF-component).

**Mapa de registros propuesto** (a refinar en Sprint 1):

| Tipo Modbus | Rango | Contenido |
|---|---|---|
| Holding (40001-) | 1-50 | Setpoints: heading_deseado, modo, comandos de operador |
| Input (30001-) | 1-50 | Estado: heading_actual, rudder_angle_actual, modo_activo, alarmas activas |
| Discrete (10001-) | 1-32 | Bits: engaged, alarms (uno por tipo), DI raw |
| Coils (00001-) | 1-32 | Comandos digitales: engage_request, disengage_request, alarm_ack |

El mapa exacto se finaliza al inicio de Fase 1.3 y se genera en
single-source-of-truth desde un YAML.

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## 3. Framework: ESP-IDF vs Arduino vs híbrido

### Decisión: Arduino-as-ESP-IDF-component

**Resumen de la discusión:**

| Aspecto | Arduino solo | ESP-IDF solo | Arduino-as-ESP-IDF-component |
|---|---|---|---|
| Manejo de FreeRTOS | Abstraído a single-thread | Nativo, control total | **Nativo (ESP-IDF), Arduino se compone encima** |
| Disponibilidad de libs NMEA2000/Modbus | ✅ inmediata | ⚠️ requiere wrap | ✅ inmediata |
| OTA con rollback automático | ❌ no | ✅ sí | ✅ sí |
| Secure boot + flash encryption | ⚠️ limitado | ✅ sí | ✅ sí |
| Determinismo PID real-time | ❌ unsuitable | ✅ excelente | ✅ excelente |
| Production-grade (TWDT, panic handlers, partitions, NVS) | Limitado | Completo | Completo |
| Complejidad inicial `platformio.ini` | Baja | Media | Media-alta (10 min de setup) |
| Curva de aprendizaje | Cortísima | Media | Media |

**Por qué para AR-Autopilot:**

El brief es taxativo:

> **Regla #11:** El PID corre en firmware ESP32, no en el display. Esto
> es no-negociable: latencia determinística, seguridad ante caída del
> display, eficiencia.
>
> **Sección 6 (frecuencias):** Lazo PID interno (timón a posición): 50
> Hz (20 ms) **Determinístico, sin jitter**.

"Sin jitter" en 50 Hz exige FreeRTOS real con prioridades correctas, no
el modelo abstraído de Arduino. Y al mismo tiempo no queremos perder 2
semanas reescribiendo NMEA2000_esp32 ni eModbus — son cientos de horas
de trabajo de la comunidad.

**Solución oficial Espressif:** [Arduino as an ESP-IDF component](https://docs.espressif.com/projects/arduino-esp32/en/latest/esp-idf_component.html).
Permite usar libs Arduino dentro de un proyecto ESP-IDF "puro". Es
exactamente lo que necesitamos.

**Configuración en PlatformIO (resumen):**

```ini
[env:esp32-arautopilot]
platform = espressif32@~6.7.0
board = esp32dev          ; ajustar al chip real (ESP32-DOWD)
framework = arduino, espidf       ; ← aquí está el truco

; Pinneamos versión del core Arduino para reproducibilidad
platform_packages =
    framework-arduinoespressif32@~3.20017.0

lib_deps =
    ttlappalainen/NMEA2000-library
    ttlappalainen/NMEA2000_esp32
    https://github.com/eModbus/eModbus.git#v1.7.4.stable

build_flags =
    -DCORE_DEBUG_LEVEL=3
    -DCONFIG_FREERTOS_HZ=1000
    ; ... más flags al hacer el sprint

monitor_speed = 115200
```

**Riesgo conocido:** el modo dual `framework = arduino, espidf` a veces
se rompe entre versiones de PlatformIO. Mitigación: pinneamos versión
exacta del `platform` y de `framework-arduinoespressif32`.

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## 4. Hardware externo / transceivers (referencia)

Pinout `firmware/ar_autopilot_v1/src/hal/pinout.h` ya declara los pines
lógicos. Para que el sistema físicamente funcione, la tarjeta
AR-NMEA-IO debe tener:

| Función | Chip típico | Pin ESP32 |
|---|---|---|
| Transceiver CAN (NMEA 2000) | MCP2562, TJA1051T | GPIO16 (TX), GPIO4 (RX) — overridable |
| Transceiver RS-485 (Modbus) | MAX485, MAX3485, SP485E | GPIO21 (TX), GPIO22 (RX), GPIO23 (DE) |
| Acondicionamiento AI1 (rudder sensor) | Op-amp + divisor / módulo 4-20 mA loop | GPIO36 (ADC1_CH0) |
| Driver de potencia para DO1/DO2 (bomba) | Relé SSR o transistor + flyback | GPIO13, GPIO12 |

Asumo que tu tarjeta v1.0 ya los lleva (es la misma usada en
VMS-Sailor). Si hay alguna diferencia, lo cuadramos al inicio de
Fase 1.2 con tu esquemático.

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## 5. Fuentes consultadas

- [NMEA2000_esp32 — GitHub](https://github.com/ttlappalainen/NMEA2000_esp32)
- [NMEA2000 library — GitHub](https://github.com/ttlappalainen/NMEA2000)
- [NMEA2000_esp32 — PlatformIO Registry](https://registry.platformio.org/libraries/ttlappalainen/NMEA2000_esp32)
- [eModbus — GitHub](https://github.com/eModbus/eModbus)
- [Arduino as ESP-IDF component — Espressif docs](https://docs.espressif.com/projects/arduino-esp32/en/latest/esp-idf_component.html)
- [ESP-IDF vs Arduino Framework for ESP32 — Hubble Network Community](https://hubble.com/community/comparisons/esp-idf-vs-arduino-framework-for-esp32-when-to-switch-and-why/)
- [ESP-IDF vs. Arduino for ESP32-S3: The Engineering Pivot to Production — Hoomanely Tech](https://tech.hoomanely.com/esp-idf-vs-arduino-for-esp32-s3-the-engineering-pivot-to-production/)
- [Modbus RTU slave (RS485) for ESP32 on Arduino platform — PlatformIO Community](https://community.platformio.org/t/modbus-rtu-slave-rs485-for-esp32-on-arduino-platform/16196)