Java工业通信实战（三）：Modbus RTU串口通信实现

想象一下，你要和一台工业设备"对话"，比如询问温度传感器"现在多少度？“或者告诉电机"转快一点”。
Modbus RTU就是这种"对话"的标准语言，就像人与人之间说普通话一样。

它采用主从结构，就像老师和学生的关系：

• 主站（老师）：你的Java程序，负责提问和下达指令
• 从站（学生）：各种工业设备，只能回答问题和执行指令

本文将通过XYIoT项目的实际代码，手把手教你如何用Java实现这种"对话"。

1. 核心依赖与配置

1.1 Maven依赖配置

就像做菜需要准备食材一样，我们先准备好必要的依赖包：

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

1.2 串口参数配置

串口通信就像打电话，需要设置正确的"电话号码"和"通话规则"：

modbus:serial:# 串口名称port-name: COM1# 波特率baud-rate: 9600# 数据位(8位)data-bits: 8# 停止位(1位)stop-bits: 1# 校验位(0-NONE, 1-ODD, 2-EVEN)parity: 0# 超时时间(毫秒)timeout: 2000# 设备地址device-address: 1

2. 核心工具类实现

2.1 配置类

这个配置类就像是"通讯录"，记录了如何连接设备：

@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 串口工具类

这个工具类就像是"翻译官"，负责把你的Java指令翻译成设备能懂的Modbus语言：

@Slf4j
@Component
public class ModbusSerialUtil {private static final Map<String, ModbusMaster> CONNECTION_CACHE = new HashMap<>();private static ModbusSerialConfig getConfig() {return SpringUtils.getBean(ModbusSerialConfig.class);}/*** 获取ModbusMaster实例 - 就像获取一个专门的"对讲机"* 支持连接缓存（避免重复拨号）和自动重连（断线自动重拨）*/public static ModbusMaster getMaster(String portName) {ModbusSerialConfig config = getConfig();String port = StringUtils.isEmpty(portName) ? config.getPortName() : portName;log.info("正在连接Modbus串口: {}", port);// 优先使用缓存连接 - 就像手机的通话记录，直接重拨上次的号码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("缓存连接失效: {}，重新建立连接", e.getMessage());}}// 建立新的串口连接 - 就像第一次拨打一个新号码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());// 设置校验位switch (config.getParity()) {case 1: serialParameters.setParity(Parity.ODD); break;case 2: serialParameters.setParity(Parity.EVEN); break;default: serialParameters.setParity(Parity.NONE); break;}// 设置串口工厂（关键步骤）- 就像选择用哪家电信运营商打电话SerialUtils.setSerialPortFactory(new SerialPortFactoryJSSC());// 创建ModbusMaster实例ModbusMaster master = ModbusMasterFactory.createModbusMasterRTU(serialParameters);master.setResponseTimeout(config.getTimeout());// 连接串口master.connect();// 缓存连接实例 - 把这个"电话号码"存到通讯录里CONNECTION_CACHE.put(port, master);return master;} catch (Exception e) {log.error("创建Modbus串口连接失败", e);throw new ServiceException("串口连接建立失败: " + e.getMessage());}}
}

3. 读写操作实现

3.1 读取保持寄存器

读取寄存器就像问设备"你现在的状态是什么？“比如问温度传感器"现在多少度？”：

public static int[] readHoldingRegisters(int slaveId, int offset, int quantity) {ModbusMaster master = getMaster();try {if (!master.isConnected()) {log.info("检测到连接断开，正在重新连接...");master.connect();// 连接建立后等待设备就绪Thread.sleep(500);}// 实现重试机制 - 就像打电话没接通时会自动重拨几次int maxRetries = 3;for (int retry = 0; retry < maxRetries; retry++) {try {log.info("读取保持寄存器 (第{}/{}次尝试)", retry + 1, maxRetries);int[] result = master.readHoldingRegisters(slaveId, offset, quantity);log.info("数据读取成功: {}", Arrays.toString(result));return result;} catch (ModbusIOException e) {log.warn("IO异常，准备重试: {}", e.getMessage());Thread.sleep(1000);} catch (ModbusProtocolException e) {log.warn("协议异常，准备重试: {}", e.getMessage());Thread.sleep(1000);}}throw new ModbusIOException("多次重试后读取仍然失败");} catch (Exception e) {log.error("保持寄存器读取失败: {}", e.getMessage());throw new ServiceException("保持寄存器读取失败: " + e.getMessage());}
}

3.2 写入单个寄存器

写入寄存器就像给设备下指令，比如告诉空调"设定温度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);// 写入后等待设备处理 - 就像发短信后等对方回复"收到"Thread.sleep(500);} catch (Exception e) {log.error("单个寄存器写入失败: {}", e.getMessage());throw new ServiceException("单个寄存器写入失败: " + e.getMessage());}
}

4. 检测可用串口

4.1 系统串口检测

就像查看电脑上有哪些USB接口可以用一样，我们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系统串口检测 - 就像在Windows设备管理器里查看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串口检测失败: {}", e.getMessage());}} // Linux系统串口检测 - 就像用ls命令查看/dev目录下的设备文件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串口检测失败: {}", e.getMessage());}}return portList;
}

5. 测试连接

5.1 连接测试方法

就像打电话前先测试信号是否正常一样，我们需要测试串口连接：

public static boolean testConnection(String portName) {ModbusMaster master = null;try {log.info("正在测试串口连接: {}", 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());// 设置校验位switch (config.getParity()) {case 1: serialParameters.setParity(Parity.ODD); break;case 2: serialParameters.setParity(Parity.EVEN); break;default: serialParameters.setParity(Parity.NONE); break;}// 设置串口工厂（必需步骤）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("串口连接测试失败: {}", e.getMessage());return false;} finally {if (master != null) {try {master.disconnect();} catch (Exception e) {log.error("测试连接关闭失败: {}", e.getMessage());}}}
}

6. 实战经验与注意事项

6.1 关键配置要点

这些是实际项目中踩过的坑，就像老司机的驾驶经验：

设置SerialPortFactory

这就像选择正确的"电话线路"，不设置就像拿着手机但没插SIM卡：

SerialUtils.setSerialPortFactory(new SerialPortFactoryJSSC());

添加操作间延迟

设备需要"思考时间"，就像你问朋友问题后要等他回答，不能连珠炮似的问个不停：

// 写入操作后延迟
Thread.sleep(2000);

增加超时设置

就像打电话设置等待时间，超过这个时间没人接就自动挂断：

master.setResponseTimeout(2000); // 设置2秒超时

实现重试机制

工业现场就像信号不好的地方，有时需要多打几次电话才能接通：

// 最多重试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);}
}

使用连接缓存

就像手机的通话记录，避免每次都重新拨号：

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

7. 帧数据解析示例

7.1 通信日志分析

就像查看手机的通话记录一样，我们可以看到每次"对话"的详细内容。

比如你在控制台会看到这样的日志：

以下面Modbus RTU通信日志为例：

Frame sent: 0106000000648821
Frame recv: 0106000000648821

7.2 数据帧结构解析

这串看似乱码的数字，其实就像一封标准格式的信件：

• 01: 从站地址(设备地址)，这里是1
• 06: 功能码，表示写入单个寄存器
• 0000: 寄存器地址，这里是0
• 0064: 写入的值，十六进制0x64即十进制100
• 8821: CRC校验和

想象Modbus通信就像邮递员送信：

• 主站：就像邮局，负责发送各种信件（指令）
• 从站：就像收信人，收到信后按要求办事并回信
• 地址：就像门牌号，每个设备都有唯一编号
• 功能码：就像信件类型，告诉收信人要做什么事

7.3 数据帧详细分析

让我们把这个"信件"拆开来看：

数据帧0106000000648821就像一个包裹的标签：

01      - 从站地址（设备编号，这里是1号设备）
06      - 功能码（06表示"写单个寄存器"）
0000    - 寄存器地址（这里写入第0号寄存器）
0064    - 要写入的数据（0x64十六进制 = 100十进制）
8821    - CRC校验码（确保数据完整性，类似防伪标记）

7.4 常见功能码说明

功能码就像不同类型的业务单，每种单子办不同的事：

• 01 - 读取线圈状态（开关量输出）
• 02 - 读取输入状态（开关量输入）
• 03 - 读取保持寄存器（可读写的数据）
• 04 - 读取输入寄存器（只读数据）
• 05 - 写单个线圈
• 06 - 写单个寄存器
• 15 - 写多个线圈
• 16 - 写多个寄存器

7.5 通信实例分析

让我们看几个实际的"对话"例子：

写入命令示例（就像发指令）

0106000000648821  (写入请求)
0106000000648821  (设备回复确认)

这就像：

• 你对1号设备说：“把你的第0个参数设置为100”
• 设备回复：“好的，已经设置为100了”（重复一遍确认收到）

读取命令示例（就像询问状态）

010300000001840A  (读取请求)
0103020064XX      (设备回复，XX是校验码)

这就像：

• 你问1号设备：“告诉我你第0个参数的值是多少？”
• 设备回答：“我是1号设备，你问的参数值是100”

7.6 常见通信问题分析

有时候"电话"会出现问题，比如：

Frame sent: 010300000001840A
Frame recv: 0103000000          (应该还有后续数据)

就像打电话时信号不好，可能的原因：

1. 对方正忙，需要时间处理（设备处理指令需要时间）
2. 信号干扰，话说了一半就断了（数据传输被干扰）
3. 对方有特殊的接电话习惯（设备有特定时序要求）

所以我们要像打电话一样，说完一句话等对方回应，不要急着说下一句。

7.7 数据类型说明

Modbus就像一个只会说数字的"外国人"，它能表达的内容有限：

• 线圈/离散输入：只会说"是"或"不是"（开关状态）
• 寄存器：会说0到65535的整数（像计数器）
• 连续寄存器：把两个数字拼起来说更大的数或小数

8. 总结

通过本文的学习，你已经掌握了用Java与工业设备"对话"的技能：

就像学会打电话：

• 知道怎么拨号（配置串口参数）
• 会存通讯录（连接缓存）
• 信号不好时会重拨（重试机制）
• 知道什么时候该等对方说话（延迟控制）
• 会测试电话是否通畅（连接测试）

实际应用场景：

• 工厂自动化：让你的程序控制生产线设备
• 环境监测：实时读取温湿度、压力等传感器数据
• 能源管理：监控和控制电力设备的运行状态=