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，程序员聊天真是三句不到离不开技术啊，这不前两天跟一个哥们吃饭，他是我好多年前的学员了，一直保持着联系，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，今天的内容来聊一聊 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。这种操作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通信方式包括：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。

实现步骤

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：

<dependency>

    <groupId>com.intelligt.modbus</groupId>

    <artifactId>jlibmodbus</artifactId>

    <version>1.2.8.1</version> <!-- 根据具体需求设置版本 -->

</dependency>

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

import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.Modbus;

import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.ModbusMaster;

import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.ModbusMasterFactory;

import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.exception.ModbusIOException;

import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.exception.ModbusNumberException;

import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.exception.ModbusProtocolException;

import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.modbus.ModbusFunctionCode;

import com.intelligt.modbus.jlibmodbus.tcp.TcpParameters;

import java.net.InetAddress;

public class ModbusTcpClient {

    public static void main(String[] args) {

        try {

            // 配置 Modbus TCP 参数

            TcpParameters tcpParameters = new TcpParameters();

            InetAddress address = InetAddress.getByName("192.168.1.100"); // 设备的IP地址

            tcpParameters.setHost(address);

            tcpParameters.setPort(Modbus.TCP_PORT); // Modbus 默认TCP端口 502

            // 创建 ModbusMaster 实例

            ModbusMaster master = ModbusMasterFactory.createModbusMasterTCP(tcpParameters);

            master.connect();

            // 设备的 Slave ID（通常是从站地址）

            int slaveId = 1;

            // 读取保持寄存器（Holding Registers），从地址 0 开始，读取 10 个寄存器

            int startAddress = 0;

            int quantity = 10;

            try {

                // 读取保持寄存器数据

                int[] registerValues = master.readHoldingRegisters(slaveId, startAddress, quantity);

                System.out.println("寄存器数据：");

                for (int i = 0; i < registerValues.length; i++) {

                    System.out.println("寄存器[" + (startAddress + i) + "] = " + registerValues[i]);

                }

            } catch (ModbusProtocolException | ModbusNumberException | ModbusIOException e) {

                System.err.println("Modbus 读取失败: " + e.getMessage());

            }

            // 断开连接

            master.disconnect();

        } catch (Exception e) {

            e.printStackTrace();

        }

    }

}

来解释一下代码哈

Modbus TCP 参数：
- TcpParameters 用于配置 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：
- 捕获 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

设备配置：确保你有一个支持 Modbus TCP 的设备，并且设备的IP地址与端口正确配置。通常情况下，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：

   寄存器数据：

   寄存器[0] = 1234

   寄存器[1] = 5678

   寄存器[2] = 910

   ...

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，并正确配置了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是工业控制领域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。如果你的设备使用Modbus RTU协议，可以通过配置串口通信来实现类似的操作。

JNI（Java Native Interface）

Java Native Interface (JNI) 允许Java代码与C/C++等本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中声明本地方法。
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本地方法。

来看案例：使用JNI读取寄存器数据

1. Java代码

首先，定义一个Java类，该类声明一个本地方法用于读取寄存器数据。

public class RegisterReader {

    // 声明本地方法，该方法将在C/C++代码中实现

    public native int readRegister(int address);

    static {

        // 加载本地库，假设库名为 "register_reader"

        System.loadLibrary("register_reader");

    }

    public static void main(String[] args) {

        RegisterReader reader = new RegisterReader();

        int registerAddress = 0x1000; // 假设寄存器地址

        int value = reader.readRegister(registerAddress);

        System.out.println("Register Value: " + value);

    }

}

编译Java文件：

javac RegisterReader.java

生成C/C++头文件：

javah -jni RegisterReader

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`）

/* DO NOT EDIT THIS FILE - it is machine generated */

#include <jni.h>

/* Header for class RegisterReader */

#ifndef _Included_RegisterReader

#define _Included_RegisterReader

#ifdef __cplusplus

extern "C" {

#endif

/*

 * Class:     RegisterReader

 * Method:    readRegister

 * Signature: (I)I

 */

JNIEXPORT jint JNICALL Java_RegisterReader_readRegister

  (JNIEnv *, jobject, jint);

#ifdef __cplusplus

}

#endif

#endif

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。

#include "RegisterReader.h"

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

// 模拟寄存器的内存映射地址

#define REGISTER_BASE_ADDRESS 0x1000

JNIEXPORT jint JNICALL Java_RegisterReader_readRegister(JNIEnv *env, jobject obj, jint address) {

    // 模拟读取寄存器，实际实现应访问真实硬件哈

    int registerValue = (address - REGISTER_BASE_ADDRESS) * 2;  // 伪代码，用来模拟一下

    printf("Reading register at address: 0x%x\n", address);

    return registerValue;

}

4. 编译生成动态库

在Linux或macOS上，编译C代码并生成动态库：

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

在Windows上：

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

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：

java -Djava.library.path=. RegisterReader

结果

Java程序将调用本地C代码来读取寄存器的值，输出类似如下的结果：

Reading register at address: 0x1000

Register Value: 0

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操作。

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问题。
处理JNI时，通常需要了解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）进行数据通信是非常常见的。Java提供了多个库来实现串口通信，其中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。

实现步骤

添加 JSerialComm 依赖。
配置串口连接。
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：

<dependency>

    <groupId>com.fazecast</groupId>

    <artifactId>jSerialComm</artifactId>

    <version>2.9.2</version> <!-- 根据需要选择版本 -->

</dependency>

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

import com.fazecast.jSerialComm.SerialPort;

public class SerialCommExample {

    public static void main(String[] args) {

        // 获取系统上的所有串口设备

        SerialPort[] ports = SerialPort.getCommPorts();

        System.out.println("可用串口设备列表:");

        for (int i = 0; i < ports.length; i++) {

            System.out.println(i + ": " + ports[i].getSystemPortName());

        }

        // 选择第一个串口设备并打开

        SerialPort serialPort = ports[0];

        serialPort.setBaudRate(9600); // 设置波特率

        serialPort.setNumDataBits(8); // 数据位

        serialPort.setNumStopBits(SerialPort.ONE_STOP_BIT); // 停止位

        serialPort.setParity(SerialPort.NO_PARITY); // 校验位

        if (serialPort.openPort()) {

            System.out.println("串口打开成功: " + serialPort.getSystemPortName());

        } else {

            System.out.println("无法打开串口");

            return;

        }

        // 等待串口设备准备好

        try {

            Thread.sleep(2000); // 等待2秒

        } catch (InterruptedException e) {

            e.printStackTrace();

        }

        // 发送命令给设备读取寄存器

        String command = "READ_REGISTER";  // 根据设备协议构建读取命令

        byte[] commandBytes = command.getBytes();

        serialPort.writeBytes(commandBytes, commandBytes.length);

        // 接收设备响应

        byte[] readBuffer = new byte[1024];

        int numRead = serialPort.readBytes(readBuffer, readBuffer.length);

        System.out.println("读取到的数据长度: " + numRead);

        System.out.println("数据内容:");

        for (int i = 0; i < numRead; i++) {

            System.out.print((char) readBuffer[i]);

        }

        // 关闭串口

        serialPort.closePort();

        System.out.println("\n串口关闭");

    }

}

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。
串口配置：
- 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，如果成功，程序会继续执行，否则输出错误并终止。
发送命令：
- 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。
读取响应：
- serialPort.readBytes(readBuffer, readBuffer.length) 从串口设备接收响应数据。接收到的数据存储在 readBuffer 中，并逐字节打印出来。
关闭串口：
- 在完成操作后，使用 serialPort.closePort() 关闭串口设备。

运行时结果示例

可用串口设备列表:

0: COM3

串口打开成功: COM3

读取到的数据长度: 6

数据内容:

123456

串口关闭

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循某种协议，如Modbus RTU、自定义协议等。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。需要根据具体情况进行错误处理。

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。如果你还是要使用RXTX咋办？那 V 哥只能...上案例了，一个简单的串口通信示例：

import gnu.io.CommPortIdentifier;

import gnu.io.SerialPort;

import java.io.InputStream;

import java.io.OutputStream;

public class RXTXExample {

    public static void main(String[] args) throws Exception {

        // 获取串口

        CommPortIdentifier portIdentifier = CommPortIdentifier.getPortIdentifier("COM3");

        SerialPort serialPort = (SerialPort) portIdentifier.open("SerialComm", 2000);

        // 设置串口参数

        serialPort.setSerialPortParams(9600, SerialPort.DATABITS_8, SerialPort.STOPBITS_1, SerialPort.PARITY_NONE);

        // 获取输入输出流

        InputStream inputStream = serialPort.getInputStream();

        OutputStream outputStream = serialPort.getOutputStream();

        // 发送命令

        String command = "READ_REGISTER";

        outputStream.write(command.getBytes());

        // 接收响应

        byte[] buffer = new byte[1024];

        int length = inputStream.read(buffer);

        System.out.println("读取到的数据长度: " + length);

        // 打印接收到的数据

        for (int i = 0; i < length; i++) {

            System.out.print((char) buffer[i]);

        }

        // 关闭串口

        serialPort.close();

    }

}

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配置和操作，且跨平台兼容性好，非常适合需要与硬件设备通过串口通信的项目。如果你在工业设备、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操作，例如与设备的寄存器、内存映射、驱动程序直接交互。
- 适合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。
- 如果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。
- 操作系统特定的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与本地系统代码通信；适合复杂的硬件控制。
- 缺点：开发复杂，涉及C/C++代码，增加了跨平台复杂性。

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。
- 主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。
- 适合需要通过标准工业协议与多个设备进行监控和数据采集的场景。
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。
- 适合与工业设备、嵌入式系统、传感器、仪表等需要基于串口进行通信的场景。
- 如果设备使用的是自定义协议，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。
- 适合需要简单、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、配置简单，适合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，如与操作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，如果是标准工业设备，Modbus协议 是首选。如果是自定义设备或嵌入式设备，使用 JSerialComm 或 RXTX。如果需要高效底层硬件访问：JNI 可能是唯一选择。好了，今天的内容就到这里，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。