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wzjs 2025/8/2 6:48:23

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前言

串口是什么？只知道拿来进行使用，只能使用别人封装好的，导致如果下位机更换了，就不知道如何去对接了，出现拆包，粘包，就不知道如何去使用了。所以这篇文章，就来认识一下串口究竟是什么。

一、android 设备

我们会发现，一些智能家居，门禁，人脸考勤，自动售卖机等等，都会使用android设备来实现控制硬件来动作。

这里我们所说的android设备，和我们所使用的手机，虽然都是android系统，但android设备的系统是经过定制化才得出来的。比如厂商主动开放Root权限，我们才能进行设备驱动，才能进行串口开发，进行数据的传输，从而实现软件控制硬件的联动，并且这些android设备，往往会提供更多的接口去和硬件通讯，比如串口，a和b，tx和rx。

二、串口是什么？

在Linux/Android系统中，一切皆文件！我们经常使用串口，就会看到有输入流，输出入流，其实，无论是硬盘里的文档、摄像头、还是串口，都被看作“文件”。

打开文件：open("/dev/ttyS0") → 就像双击打开一个文档。
读取数据：read() → 像从文档里读文字。
写入数据：write() → 像往文档里打字。
关闭文件：close() → 关闭文档。

Android基于Linux内核，所以串口也是/dev/tty*文件。但普通APP无法直接访问，需要以下方法：

Root权限：
- 直接操作/dev/ttyS0，但会破坏系统安全。

    adb shell "su -c 'chmod 666 /dev/ttyS0'"  # 强制修改文件权限

使用android设备，厂商开放接口：
- 通过Android的硬件抽象层（HAL）或JNI调用底层驱动。

// Java通过JNI调用C代码操作串口
public native int openSerialPort(String path, int baudRate);

三、一般android设备的系统，不会使用太高的版本

一般android 设备，会使用android4,android5，或者android7。为什么呢？

一方面是因为智能家居设备通常采用 低成本硬件方案（如全志A33、瑞芯微RK3308等低端芯片），其配置远低于主流手机。并且旧版本AOSP（Android开源项目）代码量更小。例如：

Android 4.4代码库约40GB，编译后系统镜像≤800MB
Android 11代码库超100GB，系统镜像≥2GB

并且，做android智能家居，追求的是稳定性，智能家居设备需 7×24小时运行，旧版本Android经过多年工业场景验证：

Android 4.4：2013年发布，已修复大量稳定性问题（如内存泄漏、死锁）。

所以，智能家居设备选择旧版Android的原因是：在有限的硬件资源下，通过成熟稳定的系统版本实现功能、成本与维护效率的最优平衡。

四、停止位

1. 停止位是什么？
停止位是数据包末尾的标志信号，表示当前数据包传输结束。

简单理解：停止位就像说话时的句号，告诉对方“我说完了，该你回应了”。

2. 为什么需要停止位？

同步复位：接收方检测到停止位后，复位内部计时器，准备接收下一个数据包。

3. 停止位的作用时机

数据包结束时生效：发送方发送停止位，接收方检测到后确认当前数据包接收完成。

五、粘包、半包如何处理呢？

出现粘包的原因，有很多种情况：

发送方连续发送多个数据包，接收方处理速度不足，导致缓冲区堆积。
若协议未定义数据包长度，接收方无法判断何时结束。
读取数据的频率控制不了，也无法干涉，有几率出现拿不到完整的数据，可能是因为发送方阻塞，或者发一半的时候被取走了。

4种处理方式：

固定长度
包头包尾标识
长度字段
默认不处理

5.1 默认不处理【测试时使用】

一般生产环境中不使用这种模式。

建议使用场景：

1. 对数据完整性要求低的简单调试

2. 传输固定长度数据包的场景

3. 需快速验证基础通信功能的场景

 @Overridepublic byte[] execute(InputStream is) {try {// 获取当前可读取的字节数（不保证后续实际读取数量）int available = is.available();if (available > 0) {// 创建与可用字节数相等的缓冲区byte[] buffer = new byte[available];// 尝试读取数据（实际读取数可能<=available）int size = is.read(buffer);if (size > 0) {// 返回实际读取的字节（可能包含不完整数据包）return buffer;}} else {// 无可用数据时暂停，避免CPU空转（可能引入延迟）SystemClock.sleep(50);}} catch (IOException e) {// 异常处理（建议记录日志而非仅打印堆栈）e.printStackTrace();}// 无数据或异常时返回nullreturn null;}

5.2 包头包尾标识【使用较多】

适用场景：协议明确规定了数据包的开始和结束标记.

在数据包头部和尾部添加特殊标记（如0xAA 0x55）。

// 示例：数据包格式
[0xAA][0x55][数据][CRC校验][0x55][0xAA]

拿到数据以后，就解析头和尾，取出数据，如果尾没有，可以判断为是半包，需要先把前面的数据存储起来，继续从串口里面拿数据，进行拼接。

需要结合缓冲区。

5.3 长度字段【使用较多】

包头中明确声明数据长度，接收方按长度读取。

// 示例：包头包含长度信息
struct PacketHeader {uint8_t start_marker;  // 0xAAuint8_t length;        // 数据部分长度uint8_t data[256];     // 数据uint8_t crc;           // 校验码
};

有了长度字段以后，我们获取数据的时候，就会根据字段的长度来拿到指定的数据。如果长度不符号，那么数据就是出现了问题。

5.4 固定长度

需要和下位机，约定每个数据包固定长度（如64字节），不足部分填充空值。

// 示例：温度数据固定为8字节（含填充）
uint8_t packet[8] = {'T', '2', '5', 0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00};

数据固定长度，那么就更加好办了，需要严格按照这个长度要求，如果超出，那么就会出现问题。比较严格，不利于扩展。

5.5 下面我们使用头尾标识+缓冲区+超时写一个处理半包，粘包问题的代码。

这里我们主要看读线程，所以先粘贴一个不做任何处理粘包问题的代码。

@Overridepublic byte[] execute(InputStream is) {try {int available = is.available();if (available > 0) {byte[] buffer = new byte[available];int size = is.read(buffer);if (size > 0) {return buffer;}} else {SystemClock.sleep(50);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}return null;}

我们创建一个缓冲区出来，将收到的数据存储起来


private final ByteArrayOutputStream receiveBuffer = new ByteArrayOutputStream();

将收到的数据，放到缓冲区里面

    @Overridepublic byte[] execute(InputStream is) {try {int available = is.available();if (available > 0) {byte[] buffer = new byte[available];int size = is.read(buffer);if (size > 0) {synchronized (receiveBuffer) {// 将新数据追加到缓冲区 追加到 receiveBuffer（ByteArrayOutputStream）的尾部。receiveBuffer.write(received, 0, size);// 尝试解析缓冲区processBuffer();}}} else {SystemClock.sleep(50);}} catch (IOException e) {e.printStackTrace();}return null;}

下面我们看看如何解析缓冲区的

// 解析缓冲区核心逻辑
private void processBuffer() {// 1. 将缓冲区数据转为字节数组byte[] bufferData = receiveBuffer.toByteArray();int bufferSize = bufferData.length;// 2. 查找起始符位置（如：0xAA 0xBB）int startIndex = findStartIndex(bufferData);if (startIndex == -1) {// 情况1：未找到起始符，清空无效数据（避免内存溢出）resetBuffer(bufferSize); return;}// 3. 在起始符之后查找结束符位置（如：0x0D 0x0A）int endIndex = findEndIndex(bufferData, startIndex);if (endIndex == -1) {// 情况2：找到起始符但未找到结束符，保留起始符之后的未处理数据retainUnprocessedData(startIndex); return;}// 4.提取完整数据帧（排除起始符和结束符）int dataStart = startIndex + START_FLAG.length;int dataEnd = endIndex - END_FLAG.length + 1;if (dataEnd >= dataStart) {byte[] packet = Arrays.copyOfRange(bufferData, dataStart, dataEnd);//将完整的数据报传递给业务层处理onPacketReceived(packet); }// 5. 保留结束符之后的数据，用于下次处理【处理粘包】retainRemainingData(endIndex + 1, bufferSize);
}

逻辑步骤：

1. 将缓冲区数据转为字节数组
2. 查找起始符位置（如：0xAA 0xBB）
3. 在起始符之后查找结束符位置（如：0x0D 0x0A）
（1）找到起始符但未找到结束符，保留起始符之后的未处理数据【解决半包的问题】
4. 提取有效数据（排除起始符和结束符）
5. 保留结束符之后的数据，用于下次处理【解决粘包的问题】

retainRemainingData、retainUnprocessedData方法的代码


/*** 保留剩余数据（当完整包处理完成后）* @param endIndex 当前数据包结束位置* @param totalSize 缓冲区总大小*/
private void retainRemainingData(int endIndex, int totalSize) {if (endIndex < totalSize) {byte[] remaining = Arrays.copyOfRange(receiveBuffer.toByteArray(), endIndex, totalSize);receiveBuffer.reset();receiveBuffer.write(remaining, 0, remaining.length);} else {receiveBuffer.reset();}
}/*** 保留未处理数据（当找到起始符但未找到结束符时）* @param startIndex 起始符的起始位置*/
private void retainUnprocessedData(int startIndex) {byte[] remaining = Arrays.copyOfRange(receiveBuffer.toByteArray(), startIndex, receiveBuffer.size());receiveBuffer.reset();receiveBuffer.write(remaining, 0, remaining.length);
}

假如说，一直都没有尾呢？所以我们需要定期清理缓冲区的内容，避免出现内存问题。

private static final long TIMEOUT_MS = 1000; // 超时时间1秒
public void init() {timeoutTask = new Runnable() {@Overridepublic void run() {synchronized (receiveBuffer) {if (receiveBuffer.size() > 0) {receiveBuffer.reset();}}}};
}