Android与单片机 | 开发板 | 智能硬件 | 智能设备 | 数据协议 |开发总结

1、缘起

工做中常常遇到须要Android程序与各式各样的板子、智能设备进行交互，通讯的方式也基本上都是Ble或者Socket tcp/udp等等.....其中最重要的一点就是通讯的协议、协议、协议重要的是说三遍；通讯协议就是用来定义与设备交互的方式和交互过程当中数据包的格式 如：（包头—数据包长度—数据—校验位—包尾）

2、这里先来理理各类数据类型、所占的字节数等

一、咱们写的代码最终都是转化成各类机器所能识别的二进制或者字节码，不一样的编程语言具备不一样的数据类型基本的也好不基本的也好、固然有不一样的也就有相同的byte（字节）就是其中的一个； 二、平常开发中咱们进行通讯发送的内容最终都会以字节的形式进行发送，这里以Java的Socket为例，咱们来看下源码

• 建立一个socket链接，发送数据

Socket socket = new Socket(ip, port);
OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
//发送数据
outputStream.write("Hello World!".getBytes());
outputStream.flush();
//关闭链接
outputStream.close();
socket.close();
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• 咱们来看下OutputStream的wirte(byte[] b)函数
• OutputStream # write(byte[] b)

//1 接着又调用了write(byte b[], int off, int len)
public void write(byte b[]) throws IOException {
    write(b, 0, b.length);
}

//2 最后又调用了write(byte b)
public void write(byte b[], int off, int len) throws IOException {
    if (b == null) {
        throw new NullPointerException();
    } else if ((off < 0) || (off > b.length) || (len < 0) ||
               ((off + len) > b.length) || ((off + len) < 0)) {
        throw new IndexOutOfBoundsException();
    } else if (len == 0) {
        return;
    }
    //3 这里就是讲咱们发送的一个bye[]进行for循环一个个写入了
    for (int i = 0 ; i < len ; i++) {
        write(b[off + i]);
    }
}

//4 end
public abstract void write(int b) throws IOException;
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小结：不管定义的通信格式是什么样的最终确定要转成byte[]（字节数组）进行发送，因此只要将数据转成字节数组便可，下面进入数据类型科普时间

3、Java中的数据类型所占的字节数和bit数

数据类型	所占字节数	所占bit数	取值范围
byte	1	8	-128 ~ 127
char	2	16	'\u0000' ~ '\uFFFF'
short	2	16	-2^15 ~ 2^15 - 1
int	4	32	-2^31 ~ 2^31 - 1
float	4	32	2^-149 ~ 2^128 -1
long	8	64	-2^63 ~ 2^63 - 1
double	8	64	2^-1074 ~ 2^1024 - 1
boolean	/	1	true or false

• String在Java中不属于基本数据类型，一个汉字占2个字节，一个英文字母占1个字节
• 小结：1 byte = 8 bit

3.1 什么是bit呢？什么又是高低位呢？在Java中又怎么写代码呢？

• bit就是位 也就是二进制数据，取值只有 0,1 - 高位在左，低位在右
  • 这里以byte 123为例：
  • byte b =123 转为bit
  • 高位在0，低位在1 0111 1011
• 在Java中获取byte的8个bit

/** * byte转8 bit * * @param b byte * @return 高位到低位顺序, 以byte123 为例： 0111 1011 */
public static byte[] byte2Bit(byte b) {
    byte[] arr = new byte[8];
    for (int i = 7; i >= 0; i--) {
        arr[i] = (byte) (b & 1);
        b = (byte) (b >> 1);
    }
    return arr;
}
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• 既然把byte转为了8个bit位，那咱们又怎么再把bit转回为byte呢？

/** * 8个bit位转为byte */
public static byte bit2Byte(byte[] bytes) {
    if (bytes.length != 8) return 0;
    String binary = "";
    byte result;
    for (byte b : bytes) {
        binary += b;
    }
    if (bytes[0] == 0) {
        // 正数
        result = (byte) Integer.parseInt(binary, 2);
    } else {
        // 负数
        result = (byte) (Integer.parseInt(binary, 2) - 256);
    }
    return result;
}
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3.2 上面已经说了byte与bit的相互转化，如今就轮到int了

• 上面已经说了一个int占4个字节32个bit
• Integer类已经为咱们封装好了转bit的方法，以下：

String s = Integer.toBinaryString(35235);
//输出结果
1000100110100011
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• 能够看到没有32位，这是为何呢？这是由于高位都是为0因此就直接省略了，固然咱们也能够主动补齐32位只须要在高位补0便可。
• bit再转回为int

int result = Integer.parseInt("1000100110100011", 2);
//输出结果
35235
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• 这里须要注意的是Integer.toBinaryString()能够将负数转化为二进制，可是Integer.parseInt("", 2)不能直接将负数的二进制转为int，以下：

String radix = Integer.toBinaryString(-35235);
System.out.println(radix);
int result = Integer.parseInt(radix, 2);
System.out.println(result);
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程序执行会报一个java.lang.NumberFormatException: For input string:"11111111111111110111011001011101"异常，那咱们怎么将负数的转回为int呢？固然是有方法的啦，以下：

//须要借助 BigInteger类
String radix = Integer.toBinaryString(-3535);
BigInteger integer = new BigInteger(radix, 2);
System.out.println(integer.intValue());
//输出结果
-3535
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3.3固然咱们能够经过电脑的计算器来计算二进制

3.4 上面咱们说了一个int占32个字节也就是4个byte，那理所固然一个int能够转成2个byte或者4个byte，以下：

/** * 一个int转2个字节的byte数组 * 由低位到高位的转换 * * @param value * @return */
public static byte[] intTo2Bytes(int value) {
    byte[] src = new byte[2];
    src[0] = (byte) (value & 0xFF);
    src[1] = (byte) ((value >> 8) & 0xFF);
    return src;
}

/** * 一个int转4个字节的byte数组 * 由低位到高位的转换 * * @param value * @return */
public static byte[] intTo4Bytes(int value) {
    byte[] src = new byte[4];
    src[0] = (byte) (value & 0xFF);
    src[1] = (byte) ((value >> 8) & 0xFF);
    src[2] = (byte) ((value >> 16) & 0xFF);
    src[3] = (byte) ((value >> 24) & 0xFF);
    return src;
}
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这里须要注意的是int转byte[]的时候是高位在数组的0下标 仍是低位在数组的0下标，上面的两个方法都是低位在数组的0下标

4、上面bb了一大堆，如今咱们经过一个具体的协议来深刻了解这些内容

4.1 协议以下：

这里须要解释下uchar、uint是什么意思？uchar = unsigned char 、uint = unsigned int，也就是无符号的数据，也就是表示了这个数据是正数

• 一、对协议进行分析能够得知：整个数据包是由两部分组成的包头+扩展数据包，其中包头占固定的32个字节
• 二、首先咱们得分析包头里面的每个字段所占了多少个字节
  • uchar 占1个字节
  • uint 占4个字节
• 二、那咱们重点就是得来分析包头的数据须要怎么封装，经过协议咱们能够看出包头内一共包含6个字段,分别表示以下：
  • 第一个为固定的"DH"，总共占2个字节
  • 第二个为版本1.0 ，总共占2个字节
  • 第三个为扩展数据长度"extlen" ，总共占4个字节
  • 第四个为扩展数据类型取值0或1 ，总共占1个字节
  • 第五个为保留字段不使用就0补齐，总共占3个字节
  • 第六个为保留字段不使用就0补齐，总共占20个字节
• 三、经过上面一顿分析，咱们就轻松的理清了每一个字段所占的字节了

4.2 Talk is cheap. Show me the code.

//magic
byte[] magicB = {'D', 'H'};
//协议版本1.0转成int也就是1
byte[] versionB = {0, 1};
//扩展数据长度，这里假定扩展数据的长度为67
byte[] extLenB = intTo4Bytes(67);
//扩展数据类型 0：JSON、1：二进制数据；这里使用JSON
byte[] extType = {0};
//两个保留字段，直接0补齐，上面已经分析了两个字段一共占23个字节
byte[] reserved = new byte[23];
//这里将上面的多个数据合并至一个byte[]
byte[] data = byteMergerAll(magicB, versionB, extLenB, extType, reserved);
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到这里包头的数据就已经处理好了，还能够进一步对它进行封装

• 这里提供一个多个数据数组合并的工具方法

/** * 多个数组合并一个 * * @return */
public static byte[] byteMergerAll(byte[]... bytes) {
    int allLength = 0;
    for (byte[] b : bytes) {
        allLength += b.length;
    }
    byte[] allByte = new byte[allLength];
    int countLength = 0;
    for (byte[] b : bytes) {
        System.arraycopy(b, 0, allByte, countLength, b.length);
        countLength += b.length;
    }
    return allByte;
}
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4.3 封装包头数据

/** * 封装包头数据 * 固定32个字节，其他的0补齐 * * @param extLen 扩展数据长度 */
public static byte[] getPkgHead(int extLen) {
    //magic
    byte[] magicB = {'D', 'H'};
    //协议版本1.0转成int也就是1
    byte[] versionB = {0, 1};
    //扩展数据长度，这里假定扩展数据的长度为67
    byte[] extLenB = intTo4Bytes(extLen);
    //扩展数据类型 0：JSON、1：二进制数据；这里使用JSON
    byte[] extType = {0};
    //两个保留字段，直接0补齐，上面已经分析了两个字段一共占23个字节
    byte[] reserved = new byte[23];
    //这里将上面的多个数据合并至一个byte[]
    return byteMergerAll(magicB, versionB, extLenB, extType, reserved);
}
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4.4上面已经把包头处理好了那如今就能够发送命令了

//扩展数据：这里就须要根据实际的文档来生成了，我这里就随便写一个了
String extData = "{\"id\":12,\"cmd\":\"open\"}";
 byte[] extDataB = extData.getBytes();
 //获取包头
 byte[] pkgHead = getPkgHead(extDataB.length);
 //一个完整的数据包
 byte[] sendData = byteMergerAll(pkgHead, extDataB);
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到这里一个完整的数据包就愉快的结束了也就实现了与设备的通讯了；重点：之后再拿到一个协议首先研究一下由多少个部分组成，每一个组成的部分占多少个字节，是高位到低位仍是低位到高位🙃