Java串口通信

港控/mmm° 2021-11-18 00:46 487阅读 0赞

最近在做一个短信猫发送短信的功能，在这过程中也熟悉了一些Java串口通讯的知识。

## 硬件准备 ##

将短信猫或者其他的一些串口设备连接在电脑上，从设备管理器里就可以看到该外部设备了  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
因为我是用USB转串口，所以还需要再电脑上安装一个驱动，将设备连到电脑上之后打开驱动精灵，就会自动识别出需要下载的驱动，安装一下就好了。  
在Windows上串口的名字一般是COM\*，在Linux上串口的名字是/dev/tty\*或/dev/ttyUSB\*  
设备连上以后开始写代码了。

## 编程思路 ##

用短信猫发送短信大致的思路就是通过程序向串口发送**AT指令**，串口将**指令数据包**传送给外部设备，之后设备收到**指令数据包**就会做出相应的处理。串口的字符默认是ASCII码，而短信猫发送中文短信一般是要将中文转为Unicode编码，这可能是短信运营商那边要求的字符集格式。

## 准备jar包 ##

Java要做串口通讯还是挺麻烦的，JDK中自带串口类库已经很过时了。我是用的是第三方类库RXTXcomm.jar，这个jar包无法从maven仓库中下载，只能自己到网上找，  
这里给上官方的下载地址：  
[http://rxtx.qbang.org/wiki/index.php/Download][http_rxtx.qbang.org_wiki_index.php_Download]  
将RXTXcomm.jar放到项目中，并且将rxtxSerial.dll和rxtxParallel.dll文件放入jdk的bin目录下。如果是Linux系统的话就又有一个坑了，我试过将librxtxSerial.so文件放到jdk的bin目录下，运行时候报出异常`java.lang.UnsatisfiedLinkError: no rxtxSerial in java.library.path thrown while loading gnu.io.RXTXCommDriver`，说明上一步的dll或者so文件没有放入正确的位置。  
在程序里面用`System.getProperty("java.library.path")`打印出来发现Java在Linux上的默认调用动态库路径目录是在/usr/lib64/下面。  
因为我的项目是maven工程，为了让RXTXcomm.jar打包的时候不会被漏掉，还需要在pom文件中添加代码：

在`<dependencies>`节点中添加如下代码

<dependency>
                <groupId>gnu</groupId>
                <artifactId>io</artifactId>
                <version>2.2</version>
                <scope>system</scope>
                <systemPath>${project.basedir}/src/main/resources/lib/RXTXcomm.jar</systemPath>
            </dependency>

在`<plugins>`节点中添加如下代码(这是打war包的配置，如果项目要打jar包的话这个配置是不行的，请自行百度jar包的配置)：

<plugin>
    				<groupId>org.apache.maven.plugins</groupId>
                    <artifactId>maven-war-plugin</artifactId>
                    <configuration>
                    <webResources>
                    <resource>
                        <directory>${project.basedir}/src/main/resources/lib</directory>
                        <targetPath>WEB-INF/lib/</targetPath>
                        <includes>
                            <include>**/*.jar</include>
                        </includes>
                    </resource>
                </webResources>
            </configuration>      
    </plugin>

## 编写代码 ##

准备工作完成以后开始编写代码了

**串口操作工具类**

@Slf4j
    public class SerialPortUtils { 
        private SerialPort serialPort;     // RS232串口对象
        private InputStream inputStream;   // 输入流
        private OutputStream outputStream; // 输出流
        /**串口开关标记*/
        private boolean portOpenTag = false;
    
        /** * 打开串口 * @param portName 串口名称 */
        public void openPort(String portName) throws IOException { 
            if (!portOpenTag){ 
                try { 
                    CommPortIdentifier commPortId = CommPortIdentifier.getPortIdentifier(portName);
                    //open:（串口占用的程序名字(随意命名)，阻塞时等待的毫秒数）
                    serialPort = (SerialPort) commPortId.open("czx",2000);
                    serialPort.setRTS(true);  //打开RTS
                    //初始化COM口的传输参数，波特率，数据位，停止位...。
                    serialPort.setSerialPortParams(115200, SerialPort.DATABITS_8,
                            SerialPort.STOPBITS_1, SerialPort.PARITY_NONE);
                } catch (NoSuchPortException e) { 
                    log.error("串口号错误，错误的串口号：{}", portName);
                } catch (PortInUseException e) { 
                    log.error("串口已被占用", e);
                } catch (UnsupportedCommOperationException e) { 
                    log.error("不受支持的串口参数", e);
                }
                inputStream = serialPort.getInputStream();
                outputStream = serialPort.getOutputStream();
                portOpenTag = true;
            }
            else { 
                //一个串口操作工具只能操作一个串口,如果想要操作多个串口就创建多个对象
                throw new RuntimeException("该串口操作对象已经打开了一个串口");
            }
    
        }
    
        /** * 向串口写入字节数组 * @param data * @throws IOException */
        public void writeByteData(byte[] data) throws IOException { 
            outputStream.write(data);
            outputStream.flush();
        }
    
        /** * 向串口写入文本数据 * @param data */
        public void writeTextData(String data) throws IOException { 
            //串口通信要求的字符集是ASCII
            byte[] bytes = data.getBytes(StandardCharsets.US_ASCII);
            outputStream.write(bytes);
            outputStream.flush();
        }
    
        /** * 从串口读取字节数组 * @return */
        public byte[] readByteData() throws IOException { 
            // 通过输入流对象的available方法获取数组字节长度
            int i = inputStream.available();
            if (i < 0){ 
                return new byte[0];
            }
            byte[] readBuffer = new byte[i];
            int readed = inputStream.read(readBuffer);
            return readBuffer;
        }
    
        /** * 从串口读取文本信息 * @return */
        public String readTextData() throws IOException { 
            byte[] bytes = readByteData();
            return new String(bytes, StandardCharsets.US_ASCII);
        }
    
        public void closePort(){ 
            //将串口开关状态设为false
            portOpenTag = false;
            try { 
                if (outputStream != null){ 
                    outputStream.close();
                }
                if (inputStream != null){ 
                    inputStream.close();
                }
                if (serialPort != null){ 
                    serialPort.close();
                }
            } catch (IOException e) { 
                log.error("串口关闭异常", e);
            }
        }
    
        /** * 获取该工具对象是否已经打开了一个串口 * @return */
        public boolean isPortOpen() { 
            return portOpenTag;
        }
        
    }

**AT指令枚举类（有些厂家的设备可能指令会不一样，请以厂家的说明文档为准）**

public enum AtCommand { 
                                                      //指令名称
        reset_data("at&f\r"),                         //恢复出厂设置
        close_echo("ate0\r"),                         //关闭回显
        save_parameters("at&w\r"),                    //保存参数
        set_sms_code("at+cscs=\"ucs2\"\r"),           //设定短信编码
        set_unicode_encoding("at+cmgf=0\r"),          //设定Unicode编码
        pdu_length("at+cmgs=%d\r"),                   //pdu编码长度
        terminator("\u001A");                         //指令结束符号
        blank("at\r");                                //空指令，用来发送心跳用的
        //指令码
        private String commandCode;
        AtCommand(String commandCode){ 
            this.commandCode = commandCode;
        }
    
        /** * 获取指令码 * @return */
        public String getCommandCode(){ 
            return commandCode;
        }
    }

**PDU协议工具类，负责将短信内容构造成PDU编码，不同的设备厂家可能协议也不一样，具体请以厂家说明数为准**  
这里提供一个pud编码转换的网站  
http://www.twit88.com/home/utility/sms-pdu-encode-decode?tdsourcetag=s\_pctim\_aiomsg

@Slf4j
    public class ChkjProtocolUtil { 
        /**设备通信协议前缀*/
        private static final String CHKJ_PRE = "0031000B81";
        /**设备通信协议附加码*/
        private static final String EXTRA_CODE = "0008A7";
    
        /** * 构造协议中的pdu短报文编码 * @param telephoneNum * @param content * @return */
        public static String pduShortCode(String telephoneNum, String content){ 
            //短报文pdu编码=前缀+电话(按协议转为小端)+附加码+消息长度(16进制)+消息(16进制)+结束符
            return CHKJ_PRE + convertTelephone(telephoneNum) + EXTRA_CODE +
                    shortContentUnicodeLengthHex(content) + content2Hex(content) + AtCommand.terminator.getCommandCode();
        }
    
        /** * 构造协议中的pdu长报文编码 * @param telephoneNum * @param content * @param page 报文总共几页 * @param limit 当前是第几页 * @return */
        public static String pduLongCode(String telephoneNum, String content, int page, int limit){ 
            String pageHex = convertDec2Hex(page);
            String limitHex = convertDec2Hex(limit);
            //长报文编码=协议前缀+手机号(小端)+ 附加码+消息长度(16进制)+"05000323"+ 报文总页数(16进制)+ 当前页数(16进制)+消息(16进制)+结束符
            String result = CHKJ_PRE + convertTelephone(telephoneNum) + EXTRA_CODE + longContentUnicodeLengthHex(content) +
                    "05000323" + pageHex + limitHex + content2Hex(content) + AtCommand.terminator.getCommandCode();
            return result;
        }
    
        /** * 将手机号码转为短信猫规定的格式(最后面+F，然后两个两个字符对换) * @return */
        public static String convertTelephone(String telephoneNum){ 
            char[] chars = (telephoneNum.concat("F")).toCharArray();
            for (int i = 0; i < chars.length; i+=2){ 
                char c = chars[i];
                chars[i] = chars[i+1];
                chars[i+1] = c;
            }
            return new String(chars);
        }
    
        /** * 将消息内容转为16进制字符串 * @param content * @return */
        public static String content2Hex(String content){ 
            try { 
                StringBuilder result = new StringBuilder();
                byte[] contentBytes = content.getBytes("Unicode");
                /* Java中字符串转为Unicode编码只有有个坑，前两个字节永远是FF，FE， 这两个字节是为了标识大端还是小端，与我们业务无关，所以要把这两个字节去掉 */
                for (int i = 2; i < contentBytes.length; i++){ 
                    String hex = String.format("%x", contentBytes[i]);
                    if ((contentBytes[i] & 0xff) < 0x10){ 
                        result.append(0);
                    }
                    result.append(String.format("%x", contentBytes[i]));
                }
                return result.toString().toUpperCase();
            } catch (UnsupportedEncodingException e) { 
                log.info("该计算机不支持Unicode编码", e);
                return null;
            }
        }
    
        /** * 将消息内容转为Unicode编码 * 这里要注意的是，Java中的字符串转Unicode编码有个坑，任何字符串转为Unicode编码的字节数组以后， * 前两位字节永远是FF,FE，这两个字节是为了标识大端还是小端，与我们业务无关，所以要把这两个字节去掉 * @return */
        public static byte[] content2Unicode(String content){ 
            try { 
                byte[] unicodeBytes = content.getBytes("Unicode");
                byte[] result = new byte[unicodeBytes.length -2];
                System.arraycopy(unicodeBytes, 2, result, 0, result.length);
                return result;
            } catch (UnsupportedEncodingException e) { 
                log.info("该计算机不支持Unicode字符集", e);
                return null;
            }
        }
        /** * 根据消息内容，获取这个内容转为pud编码以后的长度 * 按照设备说明书上的算法，pud编码长度=pdu编码去掉最开始的00和最后的0x1A后的长度除以2 * @param pduCode 消息内容的16进制字符串 * @return */
        public static int pduLength(String pduCode){ 
            return (pduCode.length() - 3) >>> 1;
        }
    
        /** * 获取短消息内容转为Unicode编码后的长度的16进制字符串 * @param shortContent 消息字符串 * @return */
        public static String shortContentUnicodeLengthHex(String shortContent){ 
            //短消息内容的unicode长度的16进制，因为一个字符转为unicode编码是2个字节，我就直接乘2
            return convertDec2Hex(shortContent.length() << 1);
        }
    
        /** * 获取长消息内容的Unicode长度的16进制字符串 * @param content * @return */
        public static String longContentUnicodeLengthHex(String content){ 
            //协议中规定，长消息的内容长度为unicode长度+6
            return convertDec2Hex((content.length() << 1) + 6);
        }
    
        /** * 10进制转为16进制 * @param decNum 10进制数字 * @return 16进制字符串 */
        public static String convertDec2Hex(int decNum){ 
            String result = String.format("%x", decNum);
            //Java中10进制转为16进制有个坑，小于15的数转为16进制后前面不会补0，需要自己添上去
            if (result.length() < 2){ 
                return (0+ result).toUpperCase();
            }else { 
                return result.toUpperCase();
            }
        }
    
    }

测试代码

public class Demo { 
        public static void main(String[] args) throws NoSuchPortException, IOException, InterruptedException { 
            SerialPortUtils serialPortUtils = new SerialPortUtils();
            serialPortUtils.openPort("COM3");
            //恢复出厂设置
            String atf = AtCommand.reset_data.getCommandCode();
            sendAt(serialPortUtils, atf);
            //关闭回显
            String ate0 = AtCommand.close_echo.getCommandCode();
            sendAt(serialPortUtils, ate0);
            //保存参数
            String atw = AtCommand.save_parameters.getCommandCode();
            sendAt(serialPortUtils, atw);
            //设定短信编码
            String cscs = AtCommand.set_sms_code.getCommandCode();
            sendAt(serialPortUtils, cscs);
    
            //先把pdu协议内容构建出来
            String content = "【啦啦啦】我们都是神枪手，每一个子弹射穿一个滴人，我们都是飞行军，哪怕那山高谁又深";
            String pduCode = ChkjProtocolUtil.pduLongCode("这里填手机号", content, 2, 1);
            //pud编码长度
            int pduLength = ChkjProtocolUtil.pduLength(pduCode);
            String cmgs = String.format(AtCommand.pdu_length.getCommandCode(), pduLength);
            sendAt(serialPortUtils, cmgs);
            //发短信
            sendAt(serialPortUtils, pduCode);
    
            //先把pdu协议内容构建出来
            String content2 = "没有枪没有炮，自由那敌人人送山前，没有枪没有炮，敌人给我们造";
            String pduCode2 = ChkjProtocolUtil.pduLongCode("这里填手机号", content2, 2, 2);
            //pud编码长度
            int pduLength2 = ChkjProtocolUtil.pduLength(pduCode2);
            String cmgs2 = String.format(AtCommand.pdu_length.getCommandCode(), pduLength2);
            sendAt(serialPortUtils, cmgs2);
            //发短信
            sendAt(serialPortUtils, pduCode2);
            serialPortUtils.closePort();
        }
    
        private static boolean sendAt(SerialPortUtils serialPortUtils, String atCommand) throws IOException, InterruptedException { 
            serialPortUtils.writeTextData(atCommand);
            String atResponse = "";
            //pdu设备的处理速度比较慢，所以每隔300毫秒读取一下
            for (int i = 0; i < 100; i++){ 
                Thread.sleep(300);
                atResponse += serialPortUtils.readTextData();
                System.out.println(atResponse);
                if (atResponse.contains("OK")){ 
                    return true;
                }
                else if (atResponse.contains(">")){ 
                    return true;
                }
                else if (atResponse.contains("ERROR")){ 
                    return false;
                }
            }
            return false;
        }
    }

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2N6eDIwMTg_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20211116/afc25d34209d42ebba39c4aacc64dd67.png
[http_rxtx.qbang.org_wiki_index.php_Download]: http://rxtx.qbang.org/wiki/index.php/Download