Java工業通信實戰（三）：Modbus RTU串口通信實現

想象一下，你要和一臺工業設備"對話"，比如詢問溫度傳感器"現在多少度？“或者告訴電機"轉快一點”。
Modbus RTU就是這種"對話"的標準語言，就像人與人之間說普通話一樣。

它采用主從結構，就像老師和學生的關系：

  • 主站（老師）：你的Java程序，負責提問和下達指令
  • 從站（學生）：各種工業設備，只能回答問題和執行指令

本文將通過XYIoT項目的實際代碼，手把手教你如何用Java實現這種"對話"。

1. 核心依賴與配置

1.1 Maven依賴配置

就像做菜需要準備食材一樣，我們先準備好必要的依賴包：

<!-- Modbus串口通信相關依賴 -->
<dependency><groupId>com.intelligt.modbus</groupId><artifactId>jlibmodbus</artifactId><version>1.2.9.7</version>
</dependency><!-- 串口通信依賴 -->
<dependency><groupId>org.scream3r</groupId><artifactId>jssc</artifactId><version>2.8.0</version>
</dependency>

1.2 串口參數配置

串口通信就像打電話，需要設置正確的"電話號碼"和"通話規則"：

modbus:serial:# 串口名稱port-name: COM1# 波特率baud-rate: 9600# 數據位(8位)data-bits: 8# 停止位(1位)stop-bits: 1# 校驗位(0-NONE, 1-ODD, 2-EVEN)parity: 0# 超時時間(毫秒)timeout: 2000# 設備地址device-address: 1

2. 核心工具類實現

2.1 配置類

這個配置類就像是"通訊錄"，記錄了如何連接設備：

@Data
@Configuration
@ConfigurationProperties(prefix = "modbus.serial")
public class ModbusSerialConfig {private String portName = "COM3";private int baudRate = 9600;private int dataBits = 8;private int stopBits = 1;private int parity = 0;private int timeout = 1000;private int deviceAddress = 1;
}

2.2 串口工具類

這個工具類就像是"翻譯官"，負責把你的Java指令翻譯成設備能懂的Modbus語言：

@Slf4j
@Component
public class ModbusSerialUtil {private static final Map<String, ModbusMaster> CONNECTION_CACHE = new HashMap<>();private static ModbusSerialConfig getConfig() {return SpringUtils.getBean(ModbusSerialConfig.class);}/*** 獲取ModbusMaster實例 - 就像獲取一個專門的"對講機"* 支持連接緩存（避免重復撥號）和自動重連（斷線自動重撥）*/public static ModbusMaster getMaster(String portName) {ModbusSerialConfig config = getConfig();String port = StringUtils.isEmpty(portName) ? config.getPortName() : portName;log.info("正在連接Modbus串口: {}", port);// 優先使用緩存連接 - 就像手機的通話記錄，直接重撥上次的號碼if (CONNECTION_CACHE.containsKey(port) && CONNECTION_CACHE.get(port) != null) {ModbusMaster cachedMaster = CONNECTION_CACHE.get(port);try {if (!cachedMaster.isConnected()) {cachedMaster.connect();}return cachedMaster;} catch (Exception e) {log.warn("緩存連接失效: {}，重新建立連接", e.getMessage());}}// 建立新的串口連接 - 就像第一次撥打一個新號碼try {// 初始化配置SerialParameters serialParameters = new SerialParameters();serialParameters.setDevice(port);serialParameters.setBaudRate(BaudRate.getBaudRate(config.getBaudRate()));serialParameters.setDataBits(config.getDataBits());serialParameters.setStopBits(config.getStopBits());// 設置校驗位switch (config.getParity()) {case 1: serialParameters.setParity(Parity.ODD); break;case 2: serialParameters.setParity(Parity.EVEN); break;default: serialParameters.setParity(Parity.NONE); break;}// 設置串口工廠（關鍵步驟）- 就像選擇用哪家電信運營商打電話SerialUtils.setSerialPortFactory(new SerialPortFactoryJSSC());// 創建ModbusMaster實例ModbusMaster master = ModbusMasterFactory.createModbusMasterRTU(serialParameters);master.setResponseTimeout(config.getTimeout());// 連接串口master.connect();// 緩存連接實例 - 把這個"電話號碼"存到通訊錄里CONNECTION_CACHE.put(port, master);return master;} catch (Exception e) {log.error("創建Modbus串口連接失敗", e);throw new ServiceException("串口連接建立失敗: " + e.getMessage());}}
}

3. 讀寫操作實現

3.1 讀取保持寄存器

讀取寄存器就像問設備"你現在的狀態是什么？“比如問溫度傳感器"現在多少度？”：

public static int[] readHoldingRegisters(int slaveId, int offset, int quantity) {ModbusMaster master = getMaster();try {if (!master.isConnected()) {log.info("檢測到連接斷開，正在重新連接...");master.connect();// 連接建立后等待設備就緒Thread.sleep(500);}// 實現重試機制 - 就像打電話沒接通時會自動重撥幾次int maxRetries = 3;for (int retry = 0; retry < maxRetries; retry++) {try {log.info("讀取保持寄存器 (第{}/{}次嘗試)", retry + 1, maxRetries);int[] result = master.readHoldingRegisters(slaveId, offset, quantity);log.info("數據讀取成功: {}", Arrays.toString(result));return result;} catch (ModbusIOException e) {log.warn("IO異常，準備重試: {}", e.getMessage());Thread.sleep(1000);} catch (ModbusProtocolException e) {log.warn("協議異常，準備重試: {}", e.getMessage());Thread.sleep(1000);}}throw new ModbusIOException("多次重試后讀取仍然失敗");} catch (Exception e) {log.error("保持寄存器讀取失敗: {}", e.getMessage());throw new ServiceException("保持寄存器讀取失敗: " + e.getMessage());}
}

3.2 寫入單個寄存器

寫入寄存器就像給設備下指令，比如告訴空調"設定溫度26度"：

public static void writeSingleRegister(int slaveId, int offset, int value) {ModbusMaster master = getMaster();try {if (!master.isConnected()) {master.connect();}master.writeSingleRegister(slaveId, offset, value);// 寫入后等待設備處理 - 就像發短信后等對方回復"收到"Thread.sleep(500);} catch (Exception e) {log.error("單個寄存器寫入失敗: {}", e.getMessage());throw new ServiceException("單個寄存器寫入失敗: " + e.getMessage());}
}

4. 檢測可用串口

4.1 系統串口檢測

就像查看電腦上有哪些USB接口可以用一樣，我們需要找到可用的串口：

public static List<String> getSystemPortNames() {List<String> portList = new ArrayList<>();String osName = System.getProperty("os.name").toLowerCase();// Windows系統串口檢測 - 就像在Windows設備管理器里查看COM口if (osName.contains("win")) {try {Process process = Runtime.getRuntime().exec(new String[] {"powershell.exe", "-Command", "[System.IO.Ports.SerialPort]::getportnames()"});try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(process.getInputStream()))) {String line;while ((line = reader.readLine()) != null) {line = line.trim();if (!line.isEmpty() && !portList.contains(line)) {portList.add(line);}}}} catch (Exception e) {log.warn("Windows串口檢測失敗: {}", e.getMessage());}} // Linux系統串口檢測 - 就像用ls命令查看/dev目錄下的設備文件else if (osName.contains("nix") || osName.contains("nux")) {try {Process process = Runtime.getRuntime().exec("ls -la /dev/tty*");try (BufferedReader reader = new BufferedReader(new InputStreamReader(process.getInputStream()))) {String line;while ((line = reader.readLine()) != null) {if (line.contains("ttyS") || line.contains("ttyUSB")) {String[] parts = line.split("\\s+");String portName = "/dev/" + parts[parts.length - 1];portList.add(portName);}}}} catch (Exception e) {log.warn("Linux串口檢測失敗: {}", e.getMessage());}}return portList;
}

5. 測試連接

5.1 連接測試方法

就像打電話前先測試信號是否正常一樣，我們需要測試串口連接：

public static boolean testConnection(String portName) {ModbusMaster master = null;try {log.info("正在測試串口連接: {}", portName);ModbusSerialConfig config = getConfig();SerialParameters serialParameters = new SerialParameters();serialParameters.setDevice(portName);serialParameters.setBaudRate(BaudRate.getBaudRate(config.getBaudRate()));serialParameters.setDataBits(config.getDataBits());serialParameters.setStopBits(config.getStopBits());// 設置校驗位switch (config.getParity()) {case 1: serialParameters.setParity(Parity.ODD); break;case 2: serialParameters.setParity(Parity.EVEN); break;default: serialParameters.setParity(Parity.NONE); break;}// 設置串口工廠（必需步驟）SerialUtils.setSerialPortFactory(new SerialPortFactoryJSSC());master = ModbusMasterFactory.createModbusMasterRTU(serialParameters);master.setResponseTimeout(config.getTimeout());master.connect();boolean connected = master.isConnected();return connected;} catch (Exception e) {log.error("串口連接測試失敗: {}", e.getMessage());return false;} finally {if (master != null) {try {master.disconnect();} catch (Exception e) {log.error("測試連接關閉失敗: {}", e.getMessage());}}}
}

6. 實戰經驗與注意事項

6.1 關鍵配置要點

這些是實際項目中踩過的坑，就像老司機的駕駛經驗：

設置SerialPortFactory

這就像選擇正確的"電話線路"，不設置就像拿著手機但沒插SIM卡：

SerialUtils.setSerialPortFactory(new SerialPortFactoryJSSC());

添加操作間延遲

設備需要"思考時間"，就像你問朋友問題后要等他回答，不能連珠炮似的問個不停：

// 寫入操作后延遲
Thread.sleep(2000);

增加超時設置

就像打電話設置等待時間，超過這個時間沒人接就自動掛斷：

master.setResponseTimeout(2000); // 設置2秒超時

實現重試機制

工業現場就像信號不好的地方，有時需要多打幾次電話才能接通：

// 最多重試3次
for (int retry = 0; retry < 3; retry++) {try {return master.readHoldingRegisters(slaveId, offset, quantity);} catch (Exception e) {if (retry == 2) throw e;Thread.sleep(1000);}
}

使用連接緩存

就像手機的通話記錄，避免每次都重新撥號：

private static final Map<String, ModbusMaster> CONNECTION_CACHE = new HashMap<>();

7. 幀數據解析示例

7.1 通信日志分析

就像查看手機的通話記錄一樣，我們可以看到每次"對話"的詳細內容。

比如你在控制臺會看到這樣的日志：

以下面Modbus RTU通信日志為例：

Frame sent: 0106000000648821
Frame recv: 0106000000648821

7.2 數據幀結構解析

這串看似亂碼的數字，其實就像一封標準格式的信件：

  • 01: 從站地址(設備地址)，這里是1
  • 06: 功能碼，表示寫入單個寄存器
  • 0000: 寄存器地址，這里是0
  • 0064: 寫入的值，十六進制0x64即十進制100
  • 8821: CRC校驗和

想象Modbus通信就像郵遞員送信：

  • 主站：就像郵局，負責發送各種信件（指令）
  • 從站：就像收信人，收到信后按要求辦事并回信
  • 地址：就像門牌號，每個設備都有唯一編號
  • 功能碼：就像信件類型，告訴收信人要做什么事

7.3 數據幀詳細分析

讓我們把這個"信件"拆開來看：

數據幀0106000000648821就像一個包裹的標簽：

01      - 從站地址（設備編號，這里是1號設備）
06      - 功能碼（06表示"寫單個寄存器"）
0000    - 寄存器地址（這里寫入第0號寄存器）
0064    - 要寫入的數據（0x64十六進制 = 100十進制）
8821    - CRC校驗碼（確保數據完整性，類似防偽標記）

7.4 常見功能碼說明

功能碼就像不同類型的業務單，每種單子辦不同的事：

  • 01 - 讀取線圈狀態（開關量輸出）
  • 02 - 讀取輸入狀態（開關量輸入）
  • 03 - 讀取保持寄存器（可讀寫的數據）
  • 04 - 讀取輸入寄存器（只讀數據）
  • 05 - 寫單個線圈
  • 06 - 寫單個寄存器
  • 15 - 寫多個線圈
  • 16 - 寫多個寄存器

7.5 通信實例分析

讓我們看幾個實際的"對話"例子：

寫入命令示例（就像發指令）

0106000000648821  (寫入請求)
0106000000648821  (設備回復確認)

這就像：

  • 你對1號設備說：“把你的第0個參數設置為100”
  • 設備回復：“好的，已經設置為100了”（重復一遍確認收到）

讀取命令示例（就像詢問狀態）

010300000001840A  (讀取請求)
0103020064XX      (設備回復，XX是校驗碼)

這就像：

  • 你問1號設備：“告訴我你第0個參數的值是多少？”
  • 設備回答：“我是1號設備，你問的參數值是100”

7.6 常見通信問題分析

有時候"電話"會出現問題，比如：

Frame sent: 010300000001840A
Frame recv: 0103000000          (應該還有后續數據)

就像打電話時信號不好，可能的原因：

  1. 對方正忙，需要時間處理（設備處理指令需要時間）
  2. 信號干擾，話說了一半就斷了（數據傳輸被干擾）
  3. 對方有特殊的接電話習慣（設備有特定時序要求）

所以我們要像打電話一樣，說完一句話等對方回應，不要急著說下一句。

7.7 數據類型說明

Modbus就像一個只會說數字的"外國人"，它能表達的內容有限：

  • 線圈/離散輸入：只會說"是"或"不是"（開關狀態）
  • 寄存器：會說0到65535的整數（像計數器）
  • 連續寄存器：把兩個數字拼起來說更大的數或小數

8. 總結

通過本文的學習，你已經掌握了用Java與工業設備"對話"的技能：

就像學會打電話：

  • 知道怎么撥號（配置串口參數）
  • 會存通訊錄（連接緩存）
  • 信號不好時會重撥（重試機制）
  • 知道什么時候該等對方說話（延遲控制）
  • 會測試電話是否通暢（連接測試）

實際應用場景：

  • 工廠自動化：讓你的程序控制生產線設備
  • 環境監測：實時讀取溫濕度、壓力等傳感器數據
  • 能源管理：監控和控制電力設備的運行狀態=

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