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标题: 三大硬核方式揭秘：Java如何与底层硬件和工业设备轻松通信！ [打印本页]

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作者: 千千梦丶琪    时间: 2024-9-26 10:16
标题: 三大硬核方式揭秘：Java如何与底层硬件和工业设备轻松通信！

大家好，我是V哥，程序员聊灵活是三句不到离不开技能啊，这不前两天跟一个哥们用饭，他是我很多多少年前的学员了，不停保持着接洽，现在都李总了，在做工业互联网相关的项目，真是只要 Java 学得好，能干一辈子，卷死的是那些半吊子。

感谢李总给我分享了工业互联网项目的事情，收获很多，本日的内容来聊一聊 Java如何与底层硬件和工业设备轻松通信的事情。
Java读取寄存器数据通常涉及与硬件设备的通信。这种利用通常是通过以下几种方式来实现的：
使用 Modbus 协议读取设备寄存器数据（使用 jLibModbus）

Modbus 是一种用于工业自动化设备的通信协议。常见的Modbus通信方式包罗：Modbus RTU（基于串行通信）和Modbus TCP（基于网络通信）。在此示例中，我们将使用 Java 和 jLibModbus 库通过 Modbus TCP 协议读取设备的寄存器数据。
实现步调

• 添加 jLibModbus 依赖。
  
• 设置 Modbus Master 客户端。
  
• 通过 Modbus Master 读取设备的寄存器数据。
  

1. 添加 jLibModbus 依赖

使用 Maven 管理项目时，可以在 pom.xml 中添加 jLibModbus 依赖：

1. <dependency>
2.     <groupId>com.intelligt.modbus</groupId>
3.     <artifactId>jlibmodbus</artifactId>
4.     <version>1.2.8.1</version>
5. </dependency>

复制代码

或者直接下载 jar 包并将其添加到项目的 classpath 中。
2. 示例代码：通过 Modbus TCP 读取寄存器

1. import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.Modbus;
2. import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.ModbusMaster;
3. import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.ModbusMasterFactory;
4. import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.exception.ModbusIOException;
5. import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.exception.ModbusNumberException;
6. import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.exception.ModbusProtocolException;
7. import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.modbus.ModbusFunctionCode;
8. import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.tcp.TcpParameters;
10. import java.net.InetAddress;
12. public class ModbusTcpClient {
13.     public static void main(String[] args) {
14.         try {
15.             // 配置 Modbus TCP 参数
16.             TcpParameters tcpParameters = new TcpParameters();
17.             InetAddress address = InetAddress.getByName("192.168.1.100"); // 设备的IP地址
18.             tcpParameters.setHost(address);
19.             tcpParameters.setPort(Modbus.TCP_PORT); // Modbus 默认TCP端口 502
21.             // 创建 ModbusMaster 实例
22.             ModbusMaster master = ModbusMasterFactory.createModbusMasterTCP(tcpParameters);
23.             master.connect();
25.             // 设备的 Slave ID（通常是从站地址）
26.             int slaveId = 1;
27.             // 读取保持寄存器（Holding Registers），从地址 0 开始，读取 10 个寄存器
28.             int startAddress = 0;
29.             int quantity = 10;
31.             try {
32.                 // 读取保持寄存器数据
33.                 int[] registerValues = master.readHoldingRegisters(slaveId, startAddress, quantity);
34.                 System.out.println("寄存器数据：");
35.                 for (int i = 0; i < registerValues.length; i++) {
36.                     System.out.println("寄存器[" + (startAddress + i) + "] = " + registerValues[i]);
37.                 }
38.             } catch (ModbusProtocolException | ModbusNumberException | ModbusIOException e) {
39.                 System.err.println("Modbus 读取失败: " + e.getMessage());
40.             }
42.             // 断开连接
43.             master.disconnect();
44.         } catch (Exception e) {
45.             e.printStackTrace();
46.         }
47.     }
48. }

复制代码

来解释一下代码哈

• Modbus TCP 参数：
  
  
  
  • TcpParameters 用于设置 Modbus TCP 的主机和端口。默认的Modbus TCP端口是 502。
    
  • 使用 InetAddress.getByName("192.168.1.100") 设置设备的IP地址。
    
  
  
• Modbus Master 实例：
  
  
  
  • ModbusMaster master = ModbusMasterFactory.createModbusMasterTCP(tcpParameters); 创建一个Modbus主机（Master），用于与从设备通信。
    
  • master.connect(); 连接到Modbus设备。
    
  
  
• 读取保持寄存器：
  
  
  
  • int[] registerValues = master.readHoldingRegisters(slaveId, startAddress, quantity); 读取从设备的保持寄存器（Holding Registers），从 startAddress 开始，读取 quantity 个寄存器。
    
  • 输出寄存器值。
    
  
  
• 错误处理：
  
  
  
  • 捕捉 ModbusProtocolException、ModbusNumberException 和 ModbusIOException 以处理通信过程中可能出现的错误。
    
  
  
• 断开连接：
  
  
  
  • 使用 master.disconnect(); 在完成数据读取后断开与Modbus设备的连接。
    
  
  

3. 如何使用

• 设备设置：确保你有一个支持 Modbus TCP 的设备，而且设备的IP地址与端口正确设置。通常环境下，Modbus TCP设备监听502端口。
  
• 运行程序：运行此 Java 程序，程序将连接到设备并读取指定寄存器的数据。
  
• 结果示例：
  

1.    寄存器数据：
2.    寄存器[0] = 1234
3.    寄存器[1] = 5678
4.    寄存器[2] = 910
5.    ...

复制代码

使用时要注意的事项

• 设备通信参数：确保设备支持Modbus TCP协议，并正确设置了IP地址、端口和从站地址（Slave ID）。
  
• 读取不同类型的寄存器：在Modbus中，可以读取不同类型的寄存器，比如输入寄存器（Input Registers）或线圈（Coils）。根据需求调用对应的方法：
  
  
  
  • readInputRegisters(...)：读取输入寄存器。
    
  • readCoils(...)：读取线圈状态。
    
  
  
• Modbus地址偏移：一些Modbus设备使用1-based地址系统，而程序中可能使用0-based地址，注意这点以防读取错误地址。
  

小结一下

我们通过 jLibModbus 库使用 Java 读取支持 Modbus TCP 协议的设备的寄存器数据。Modbus是工业控制范畴中广泛应用的通信协议，利用Java实现设备通信可以用于各种自动化系统中。假如你的设备使用Modbus RTU协议，可以通过设置串口通信来实现雷同的利用。
JNI（Java Native Interface）

Java Native Interface (JNI) 允许Java代码与C/C++等当地语言编写的代码交互，可以用于实现高性能、直接的硬件访问，如寄存器读取。
JNI基本流程

• 在Java中声明当地方法。
  
• 使用javac编译Java类。
  
• 使用javah生成C/C++头文件。
  
• 编写C/C++代码实现Java方法。
  
• 编译生成动态库。
  
• Java代码加载动态库并调用当地方法。
  

来看案例：使用JNI读取寄存器数据

1. Java代码

首先，界说一个Java类，该类声明一个当地方法用于读取寄存器数据。

1. public class RegisterReader {
2.     // 声明本地方法，该方法将在C/C++代码中实现
3.     public native int readRegister(int address);
5.     static {
6.         // 加载本地库，假设库名为 "register_reader"
7.         System.loadLibrary("register_reader");
8.     }
10.     public static void main(String[] args) {
11.         RegisterReader reader = new RegisterReader();
12.         int registerAddress = 0x1000; // 假设寄存器地址
13.         int value = reader.readRegister(registerAddress);
14.         System.out.println("Register Value: " + value);
15.     }
16. }

复制代码

编译Java文件：

1. javac RegisterReader.java

复制代码

生成C/C++头文件：

1. javah -jni RegisterReader

复制代码

此命令将生成一个RegisterReader.h文件，包含C/C++中需要实现的方法声明。
2. 生成的头文件（RegisterReader.h）

1. /* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */
2. #include <jni.h>
3. /* Header for class RegisterReader */
5. #ifndef _Included_RegisterReader
6. #define _Included_RegisterReader
7. #ifdef __cplusplus
8. extern "C" {
9. #endif
10. /*
11. * Class:     RegisterReader
12. * Method:    readRegister
13. * Signature: (I)I
14. */
15. JNIEXPORT jint JNICALL Java_RegisterReader_readRegister
16.   (JNIEnv *, jobject, jint);
18. #ifdef __cplusplus
19. }
20. #endif
21. #endif

复制代码

3. C代码实现

接下来，在C语言中实现readRegister方法。在这里，我们假设寄存器通过内存映射的方式访问。

1. #include "RegisterReader.h"
2. #include <stdio.h>
3. #include <stdlib.h>
5. // 模拟寄存器的内存映射地址
6. #define REGISTER_BASE_ADDRESS 0x1000
8. JNIEXPORT jint JNICALL Java_RegisterReader_readRegister(JNIEnv *env, jobject obj, jint address) {
9.     // 模拟读取寄存器，实际实现应访问真实硬件哈
10.     int registerValue = (address - REGISTER_BASE_ADDRESS) * 2;  // 伪代码，用来模拟一下
11.     printf("Reading register at address: 0x%x\n", address);
12.     return registerValue;
13. }

复制代码

4. 编译生成动态库

在Linux或macOS上，编译C代码并生成动态库：

1. gcc -shared -o libregister_reader.so -I${JAVA_HOME}/include -I${JAVA_HOME}/include/linux RegisterReader.c

复制代码

在Windows上：

1. gcc -shared -o register_reader.dll -I"%JAVA_HOME%\include" -I"%JAVA_HOME%\include\win32" RegisterReader.c

复制代码

5. 运行Java程序

确保编译生成的动态库位于Java的库路径中，然后运行Java程序：

1. java -Djava.library.path=. RegisterReader

复制代码

结果

Java程序将调用当地C代码来读取寄存器的值，输出雷同如下的结果：

1. Reading register at address: 0x1000
2. Register Value: 0

复制代码

解释一下

• readRegister方法：在Java中调用时，会通过JNI调用C代码中的Java_RegisterReader_readRegister函数。
  
• 动态库加载：System.loadLibrary("register_reader")加载名为register_reader的动态库，确保C函数可以被Java程序调用。
  

优点

• 直接访问硬件：通过JNI可以直接访问寄存器或其他硬件设备，而不受JVM的限制。
  
• 高性能：C/C++语言可以提供更高效的底层利用。
  

要注意的事

• JNI涉及原生代码，因此需要注意平台兼容性和安全性题目。
  
• 处理JNI时，通常需要相识设备的驱动接口和通信机制。
  

JSerialComm或RXTX等库

使用 JSerialComm 通过串口通信读取设备寄存器数据。
在一些嵌入式或工业设备中，使用串口（如RS232或RS485）进行数据通信是非经常见的。Java提供了多个库来实现串口通信，此中JSerialComm和RXTX是两个常用的库。JSerialComm相对较新且维护良好，兼容性更好，因此我们以它为例介绍如何使用它进行串口通信。
实现步调

• 添加 JSerialComm 依赖。
  
• 设置串口连接。
  
• 通过串口发送和接收数据。
  

1. 添加 JSerialComm 依赖

使用Maven管理项目时，可以在pom.xml中添加JSerialComm的依赖：

1. <dependency>
2.     <groupId>com.fazecast</groupId>
3.     <artifactId>jSerialComm</artifactId>
4.     <version>2.9.2</version>
5. </dependency>

复制代码

或者，下载 jar 包并将其添加到项目的 classpath 中。
2. 示例代码：使用 JSerialComm 读取寄存器数据

1. import com.fazecast.jSerialComm.SerialPort;
3. public class SerialCommExample {
4.     public static void main(String[] args) {
5.         // 获取系统上的所有串口设备
6.         SerialPort[] ports = SerialPort.getCommPorts();
7.         System.out.println("可用串口设备列表:");
8.         for (int i = 0; i < ports.length; i++) {
9.             System.out.println(i + ": " + ports[i].getSystemPortName());
10.         }
12.         // 选择第一个串口设备并打开
13.         SerialPort serialPort = ports[0];
14.         serialPort.setBaudRate(9600); // 设置波特率
15.         serialPort.setNumDataBits(8); // 数据位
16.         serialPort.setNumStopBits(SerialPort.ONE_STOP_BIT); // 停止位
17.         serialPort.setParity(SerialPort.NO_PARITY); // 校验位
19.         if (serialPort.openPort()) {
20.             System.out.println("串口打开成功: " + serialPort.getSystemPortName());
21.         } else {
22.             System.out.println("无法打开串口");
23.             return;
24.         }
26.         // 等待串口设备准备好
27.         try {
28.             Thread.sleep(2000); // 等待2秒
29.         } catch (InterruptedException e) {
30.             e.printStackTrace();
31.         }
33.         // 发送命令给设备读取寄存器
34.         String command = "READ_REGISTER";  // 根据设备协议构建读取命令
35.         byte[] commandBytes = command.getBytes();
36.         serialPort.writeBytes(commandBytes, commandBytes.length);
38.         // 接收设备响应
39.         byte[] readBuffer = new byte[1024];
40.         int numRead = serialPort.readBytes(readBuffer, readBuffer.length);
42.         System.out.println("读取到的数据长度: " + numRead);
43.         System.out.println("数据内容:");
44.         for (int i = 0; i < numRead; i++) {
45.             System.out.print((char) readBuffer[i]);
46.         }
48.         // 关闭串口
49.         serialPort.closePort();
50.         System.out.println("\n串口关闭");
51.     }
52. }

复制代码

解释一下代码

• 获取可用串口设备：
  
  
  
  • SerialPort.getCommPorts() 获取系统上所有可用的串口设备，并打印其名称，方便选择要使用的端口。
    
  
  
• 串口设置：
  
  
  
  • 设置串口的波特率、数据位、停止位和校验位。这些参数必须根据你的设备文档设置。
    
  • 例如，波特率设置为9600，数据位为8，停止位为1，无校验位。
    
  
  
• 打开串口：
  
  
  
  • serialPort.openPort() 打开串口，假如成功，程序会继续实行，否则输出错误并终止。
    
  
  
• 发送死令：
  
  
  
  • serialPort.writeBytes(commandBytes, commandBytes.length) 向串口设备发送一个命令，这个命令通常由设备的通信协议决定。这里的命令 READ_REGISTER 是一个假设的示例，实际命令需要根据设备的手册来确定。
    
  
  
• 读取相应：
  
  
  
  • serialPort.readBytes(readBuffer, readBuffer.length) 从串口设备接收相应数据。接收到的数据存储在 readBuffer 中，并逐字节打印出来。
    
  
  
• 关闭串口：
  
  
  
  • 在完成利用后，使用 serialPort.closePort() 关闭串口设备。
    
  
  

运行时结果示例

1. 可用串口设备列表:
2. 0: COM3
3. 串口打开成功: COM3
4. 读取到的数据长度: 6
5. 数据内容:
6. 123456
7. 串口关闭

复制代码

要注意的事项有哪些

• 串口通信协议：串口设备之间的通信通常遵照某种协议，如Modbus RTU、自界说协议等。你需要根据设备手册实现特定的命令发送和数据解析。
  
• 波特率和其他参数设置：确保波特率、数据位、停止位和校验位的设置与设备匹配。错误的设置可能导致通信失败或数据乱码。
  
• 错误处理：串口通信可能会遇到各种错误，如通信超时、数据帧丢失等。需要根据详细环境进行错误处理。
  

RXTX 示例

RXTX是另一种用于串口通信的库，但由于维护不如JSerialComm积极，V哥建议使用JSerialComm。假如你还是要使用RXTX咋办？那 V 哥只能...上案例了，一个简单的串口通信示例：

1. import gnu.io.CommPortIdentifier;
2. import gnu.io.SerialPort;
3. import java.io.InputStream;
4. import java.io.OutputStream;
6. public class RXTXExample {
7.     public static void main(String[] args) throws Exception {
8.         // 获取串口
9.         CommPortIdentifier portIdentifier = CommPortIdentifier.getPortIdentifier("COM3");
10.         SerialPort serialPort = (SerialPort) portIdentifier.open("SerialComm", 2000);
12.         // 设置串口参数
13.         serialPort.setSerialPortParams(9600, SerialPort.DATABITS_8, SerialPort.STOPBITS_1, SerialPort.PARITY_NONE);
15.         // 获取输入输出流
16.         InputStream inputStream = serialPort.getInputStream();
17.         OutputStream outputStream = serialPort.getOutputStream();
19.         // 发送命令
20.         String command = "READ_REGISTER";
21.         outputStream.write(command.getBytes());
23.         // 接收响应
24.         byte[] buffer = new byte[1024];
25.         int length = inputStream.read(buffer);
26.         System.out.println("读取到的数据长度: " + length);
28.         // 打印接收到的数据
29.         for (int i = 0; i < length; i++) {
30.             System.out.print((char) buffer[i]);
31.         }
33.         // 关闭串口
34.         serialPort.close();
35.     }
36. }

复制代码

小结一下

通过 JSerialComm 库，咱们可以方便地在 Java 中实现串口通信。这个库简化了串口的设置和利用，且跨平台兼容性好，非常得当需要与硬件设备通过串口通信的项目。假如你在工业设备、嵌入式系统或物联网应用中需要使用串口通信，它是一个很好的选择。
总结一下三种方式的使用场景

以下是使用 JNI、Modbus协议 和 串口通信库（JSerialComm或RXTX） 三种方式的场景总结：
1. JNI（Java Native Interface）

• 场景：
  
  
  
  • 当你需要直接访问硬件层或底层系统API时，使用JNI非常合适。
    
  • 适用于 Java 无法直接处理的硬件利用，例如与设备的寄存器、内存映射、驱动程序直接交互。
    
  • 得当需要极高性能或需要使用C/C++库与设备进行复杂通信的场景。
    
  • 假如设备的驱动程序只提供C/C++ API，你可以通过JNI将其集成到Java项目中。
    
  
  
• 典型应用：
  
  
  
  • 设备驱动程序的开发和使用。
    
  • 高性能、低延迟的硬件通信。
    
  • 利用系统特定的API调用，访问系统资源（例如寄存器、硬件接口）。
    
  
  
• 优缺点：
  
  
  
  • 优点：允许Java与当地系统代码通信；得当复杂的硬件控制。
    
  • 缺点：开发复杂，涉及C/C++代码，增长了跨平台复杂性。
    
  
  

2. Modbus协议

• 场景：
  
  
  
  • Modbus协议是用于工业设备之间通信的常见标准，适用于通过RS485/RS232串口或以太网TCP与支持Modbus协议的设备进行通信。
    
  • 重要用于自动化控制系统，如PLC、传感器、变频器、HMI等工业设备的数据交换。
    
  • 得当需要通过标准工业协议与多个设备进行监控和数据收罗的场景。
    
  
  
• 典型应用：
  
  
  
  • 工业自动化：读取设备状态、控制输出、获取传感器数据。
    
  • 物联网设备的监控和管理。
    
  • 远程控制和设备管理：如通过Modbus TCP读取远程设备数据。
    
  
  
• 优缺点：
  
  
  
  • 优点：标准化协议，兼容大量工业设备，简单易用。
    
  • 缺点：相对较慢的通信速率，适用于监控和控制而非实时复杂计算。
    
  
  

3. 串口通信库（JSerialComm或RXTX）

• 场景：
  
  
  
  • 当设备通过串口（RS232、RS485）进行通信时，可以使用串口通信库直接读取设备数据。
    
  • 得当与工业设备、嵌入式系统、传感器、仪表等需要基于串口进行通信的场景。
    
  • 假如设备使用的是自界说协议，且不支持标准的Modbus协议，可以通过这种方式实现与设备的通信。
    
  • 得当需要简单、直接的设备通信，尤其是在传统的嵌入式设备和工业场景中。
    
  
  
• 典型应用：
  
  
  
  • 通过串口与嵌入式设备通信，获取传感器数据。
    
  • 与PLC、工业控制系统、单片机等设备进行通信。
    
  • 物联网设备数据传输，尤其是需要通过串口传输的低速设备。
    
  
  
• 优缺点：
  
  
  
  • 优点：轻量、跨平台支持广泛、设置简单，得当与串口设备进行直接通信。
    
  • 缺点：仅适用于串口通信，缺乏复杂的协议支持。
    
  
  

总结对比：

• JNI 适用于底层硬件访问和高性能应用，如与利用系统或驱动程序直接交互。
  
• Modbus协议 是工业标准协议，适用于需要通过串口或以太网与工业设备通信的场景。
  
• JSerialComm/RXTX 适用于与串口设备通信，尤其是在嵌入式或物联网设备中进行简单的设备交互。
  

选择哪种方式取决于设备的通信协议和项目的复杂性需求，假如是标准工业设备，Modbus协议 是首选。假如是自界说设备或嵌入式设备，使用 JSerialComm 或 RXTX。假如需要高效底层硬件访问：JNI 可能是唯一选择。好了，本日的内容就到这里，欢迎关注威哥爱编程，点赞关注加收藏，让我们一起在 Java 路上越走越远。

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