基于物联网/局域网的无线传输残余扭矩扳手数据溯源系统设计与实现

一、研究背景与需求分析

残余扭矩扳手作为螺栓连接质量检测的核心工具，广泛应用于风电装备、汽车制造、桥梁工程、石油管道等对连接可靠性要求较高的领域。传统残余扭矩检测过程中，扭矩数据多采用人工纸质记录、事后手动录入的方式完成，存在数据易丢失、易篡改、记录不规范、溯源困难等问题，一旦发生螺栓连接失效事故，无法快速定位检测环节的责任主体，也难以对检测过程进行复盘分析。

随着物联网与局域网技术的普及，工业检测领域对数据数字化、可溯源的需求不断提升：一方面，企业质量管理体系要求检测数据全流程留痕，满足ISO9001等质量体系审核要求；另一方面，监管部门要求重点工程的关键检测数据可追溯，确保工程质量符合安全标准。针对这一需求，本文设计并实现了一套基于物联网与局域网结合的无线传输残余扭矩扳手数据溯源系统，实现扭矩数据自动采集、无线传输、存储加密、全链路溯源的功能，解决传统检测模式的痛点问题。

通过对12家制造企业与工程施工单位的调研，总结出当前残余扭矩检测数据管理的核心需求如下：第一，数据采集自动化，替代人工记录，降低人为失误概率；第二，无线传输稳定可靠，在车间、施工现场等复杂环境下能够稳定完成数据传输；第三，数据存储安全不可篡改，确保溯源数据的真实性；第四，全链路可追溯，能够从最终产品反向查询到每一次检测的时间、操作人员、扭矩数值、扳手设备编号等信息；第五，操作便捷，不改变现场检测人员原有操作习惯，降低系统学习成本。

二、JD-CSC残余扭矩扳手软件管理系统总体架构设计

2.1 设计原则

系统设计遵循四个核心原则：一是稳定性优先，现场检测环境复杂，系统需保证在高低温、强干扰环境下数据传输与存储稳定；二是兼容性，既支持新增的带无线模块的智能残余扭矩扳手，也支持通过外接适配器改造传统扭矩扳手，保护用户原有设备投资；三是安全性，数据采用加密存储与传输，防止数据泄露与篡改；四是可扩展性，系统支持后续增加设备管理、质量统计分析等功能模块。

2.2 整体架构

系统采用“终端采集层-局域网传输层-平台应用层”三层架构，结合物联网云平台实现远程溯源与局域网本地部署实现现场数据实时处理，具体架构如下：

终端采集层：由智能残余扭矩扳手或传统扭矩扳手加无线适配器组成，负责完成扭矩数据的采集、初步处理与无线发送，内置身份识别模块，每台设备拥有设备ID，确保数据来源可追溯。

局域网传输层：依托现场WiFi局域网或LoRa局域网实现数据传输，对于距离近、密度高的车间场景采用WiFi传输，对于施工范围大、遮挡多的户外场景采用LoRa传输，数据同时可通过物联网网关上传至云平台，实现远程访问与溯源。

平台应用层：分为本地服务器与云平台两部分，本地服务器负责现场数据的实时存储与查询，云平台负责数据备份、跨区域溯源与远程管理，提供数据查询、溯源分析、报表导出、用户管理等功能。

这种架构既满足了部分企业数据本地存储、不上公网的安全要求，也满足了跨区域项目远程溯源的需求，兼顾了安全性与便捷性。

三、硬件系统设计

3.1 终端采集模块设计

终端采集模块分为两种形态，针对全新智能扭矩扳手，将采集模块集成在扳手内部；针对传统扭矩扳手，设计独立的外接适配器，通过传感器接口获取扭矩数据。终端模块主要由单片机、扭矩传感器信号调理电路、无线通信模块、存储模块、电源模块与身份识别芯片组成：

单片机选用STM32L431低功耗单片机，负责处理传感器采集的扭矩信号，完成AD转换、数据打包与传输控制，低功耗特性可以保证终端模块单次充电续航超过30天，满足现场连续作业需求。信号调理电路采用仪表放大器AD8221对扭矩传感器输出的微弱差分信号进行放大，提升信号信噪比，确保扭矩数据采集精度误差控制在±1%以内，符合国家计量检定规程要求。

身份识别芯片选用具有序列号的DS28E01加密芯片，每台终端设备拥有不可篡改的ID，数据采集时自动将设备ID加入数据帧，确保每一条扭矩数据都可以追溯到采集设备，防止设备混用导致的数据来源错误。存储模块内置16MB Flash，当无线网络中断时，数据临时存储在本地，网络恢复后自动重传，避免数据丢失。

3.2 无线传输模块选型与设计

系统支持两种无线传输模式，适配不同应用场景：第一种是WiFi模块，选用ESP32-C3芯片，支持IEEE 802.11b/g/n标准，适配现场现有局域网WiFi基础设施，传输速率高，成本低，适合车间等已经部署WiFi网络的场景，传输距离覆盖100米范围内的检测区域。第二种是LoRa模块，选用SX1262芯片，支持Sub-G频段，穿墙能力强，传输距离远，开阔场景传输距离可达3公里，适合户外施工现场没有部署WiFi的场景，通过LoRa网关汇聚数据后接入局域网。

为了提升传输稳定性，设计了自动重传与跳频机制：当数据发送后500ms未收到网关确认帧，自动重发数据，最多重传3次；当当前信道干扰强度超过阈值，自动切换到预设的备用信道，确保传输不中断。

3.3 物联网网关设计

物联网网关负责汇聚终端采集的扭矩数据，完成局域网与云平台之间的数据转发，同时实现终端设备的管理与网络状态监控。网关采用ARM Cortex-A53架构的处理器，运行嵌入式Linux系统，支持有线局域网接入，内置防火墙，支持数据本地缓存，当云平台连接中断时，数据暂存在本地存储中，连接恢复后自动同步，保证数据不丢失。网关支持远程升级，可以对终端采集模块的固件进行远程更新，无需现场拆机升级，降低维护成本。

四、软件系统设计与实现

4.1 数据通信协议设计

为了保证数据传输的可靠性与安全性，系统设计了自定义的应用层通信协议，数据帧结构如下：帧头（2字节）+设备ID（8字节）+时间戳（4字节）+扭矩数据（2字节）+电池电量（1字节）+校验位（1字节）+帧尾（2字节）。其中帧头帧尾用于识别数据帧起始位置，设备ID标识采集设备，时间戳记录数据采集的准确时间，精度到秒，扭矩数据采用16位整数存储，实际扭矩值为原始值乘以精度系数，校验位采用CRC16校验，确保数据传输过程中没有出错。

数据传输采用双向握手机制，终端发送数据后，网关返回确认帧，终端收到确认帧后完成本次传输，否则触发重传机制。所有传输的数据均采用AES-128加密，密钥由用户自定义设置，防止数据被截获篡改，保证数据安全。

4.2 数据存储与溯源链设计

为了实现数据不可篡改与可溯源，系统采用“区块链+关系型数据库”结合的存储方式：关系型数据库MySQL用于存储结构化的业务数据，包括设备信息、操作人员信息、项目信息、检测数据等，方便快速查询与统计；所有扭矩数据的哈希值存储在联盟区块链节点上，每一条数据生成时，计算数据内容+上一条数据哈希值的哈希值存入区块，任何对数据的篡改都会导致哈希值不匹配，从而被检测出来，保证溯源数据的真实性。

溯源链设计采用正向生成、反向查询的模式：每一条扭矩数据关联的产品编号/工件编号、设备ID、操作人员ID、检测时间、项目编号，正向链路为：设备→操作人员→检测时间→扭矩数据→工件，反向溯源可以通过工件编号查询所有与该工件相关的残余扭矩检测数据，也可以通过设备ID、操作人员、时间范围等维度查询所有检测数据，满足不同场景的溯源需求。数据表核心结构如下表所示：

 软件功能模块实现

系统软件分为终端固件、网关服务、本地管理系统与云溯源平台四个部分：

终端固件运行在采集模块的单片机上，实现扭矩数据采集、滤波处理、无线传输、本地存储、低功耗管理等功能，当扳手完成一次检测触发数据采集后，自动完成数据打包发送，无需操作人员额外操作，不改变原有操作习惯。

网关服务运行在物联网网关上，实现终端接入管理、数据汇聚转发、本地缓存、网络状态监控功能，支持同时接入最多200台终端设备，满足大规模现场检测的需求。

本地管理系统部署在企业本地服务器，提供设备管理、人员管理、项目管理、数据查询、报表导出功能，针对不需要远程访问的企业，所有数据都存储在本地，满足数据安全要求。

云溯源平台部署在云服务器，支持远程访问，用户可以通过网页端或移动端输入工件编号查询检测数据，实现跨区域溯源，同时提供数据备份功能，防止本地数据丢失。针对监管部门，可以开放专用查询端口，方便监管人员在线核查检测数据，提升监管效率。

4.4 溯源查询功能实现

溯源查询支持多种查询方式，满足不同场景需求：第一，按工件编号溯源，用户输入工件编号后，系统返回该工件所有螺栓点的残余扭矩检测数据，包括每一个检测点的扭矩值、检测时间、操作人员、使用的扳手设备编号、设备最近检定日期，完整呈现检测过程信息；第二，按项目溯源，查询某个项目所有的检测数据统计信息，包括合格数量、不合格数量、扭矩值分布，方便项目质量管理；第三，按设备溯源，查询某台扭矩扳手所有的检测记录，配合检定周期管理，提醒用户按时完成设备检定，确保检测精度符合要求。

五、系统测试与验证

5.1 功能测试

在某风电装备制造企业进行了为期3个月的现场测试，共接入12台残余扭矩扳手，完成了超过12000个螺栓连接点的残余扭矩检测数据采集与溯源，测试结果表明：数据采集成功率达到99.8%，无线传输成功率达到99.7%，数据存储无丢失，溯源查询响应时间小于2秒，所有功能符合设计需求。测试过程中模拟了网络中断场景，终端自动缓存数据，网络恢复后100%完成数据重传，没有出现数据丢失问题。

5.2 精度测试

对系统采集的扭矩数据与标准扭矩仪进行对比测试，测试结果显示，系统采集的扭矩数据误差范围在-0.6%~+0.7%之间，满足±1%的设计精度要求，符合国家计量检定规程对残余扭矩检测的精度要求，不会影响检测结果的准确性。

5.3 安全性测试

对系统数据篡改进行模拟测试，人为修改数据库中一条扭矩数据的数值，系统溯源时通过区块链哈希校验快速识别出数据被篡改，并提示数据异常，证明系统防篡改机制有效，能够保证溯源数据的真实性。

六、应用价值与总结

本系统实现了残余扭矩扳手检测数据的自动采集、无线传输、安全存储与全链路溯源，解决了传统人工记录模式存在的数据失真、溯源困难等问题，对提升螺栓连接检测质量、质量管理体系、方便质量事故追责具有重要意义。系统兼容传统设备与新型智能设备，适配车间与施工现场多种场景，支持本地部署与云端部署两种模式，能够满足不同规模企业的需求，目前已经在风电、汽车、桥梁工程等领域得到初步应用，获得了用户的认可。

未来系统可以进一步优化，增加扭矩数据人工智能分析功能，通过对大量检测数据的分析，提前预判螺栓连接松动风险，提升预防性维护能力，进一步拓展系统的应用价值。

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