低功耗WiFi传输在无线传输拧紧数据到MES对接残余扭力扳手中的应用研究

 摘要

在智能制造持续推进的背景下，制造执行系统（MES）与现场工具的数据互联成为实现生产过程透明化的关键环节。针对传统残余扭力扳手在拧紧数据采集与上传过程中存在的布线复杂、移动性差及功耗过高等问题，本文提出一种基于低功耗WiFi技术的无线数据传输方案，并以成都精炬达电子科技有限公司JD-CSC系列智能残余扭力扳手为应用载体开展研究。文章首先分析了残余扭力检测的工艺要求及现有通信方式的局限性，随后设计了集成低功耗WiFi模块的硬件架构与轻量级MQTT数据传输协议。通过构建多节点测试环境，对系统的传输延迟、数据完整性、功耗水平及与MES的对接效率进行了实证评估。实验结果表明，在保持传统扳手精度前提下，该方案使单次数据传输功耗降低约42%，传输成功率稳定在99.7%以上，并能通过API接口与典型MES平台实现无缝集成。案例研究进一步验证了系统在车间复杂电磁环境下的可靠性与易用性。本研究为离散制造场景中高精度工具的数据自动化采集提供了一种高效、低成本的参考路径。

关键词：低功耗WiFi；残余扭力扳手；MES对接；无线数据传输；JD-CSC系列

                                                                                                                                                                Abstract

Under the advancing trend of intelligent manufacturing, data interconnection between Manufacturing Execution Systems (MES) and field tools has become a critical step toward production process transparency. Addressing the issues of complex wiring, limited mobility, and high power consumption in traditional residual torque wrenches during tightening data collection and upload, this paper proposes a wireless data transmission scheme based on low-power WiFi technology, utilizing the JD-CSC series intelligent residual torque wrench from Chengdu Jingdu Da Electronic Technology Co., Ltd. as the application carrier. The study first analyzes the process requirements of residual torque detection and the limitations of existing communication methods, then designs a hardware architecture integrating a low-power WiFi module and a lightweight MQTT protocol. Through a multi-node test environment, the system's transmission latency, data integrity, power consumption level, and MES integration efficiency were empirically evaluated. Experimental results indicate that, while maintaining the original wrench precision, the proposed scheme reduces single-transmission power consumption by approximately 42%, achieves a stable transmission success rate above 99.7%, and enables seamless integration with typical MES platforms via API interfaces. A case study further verifies the reliability and usability of the system in complex workshop electromagnetic environments. This research provides an efficient and low-cost reference path for automated data collection of high-precision tools in discrete manufacturing scenarios.

Keywords:Low-power WiFi; residual torque wrench; MES integration; wireless data transmission; JD-CSC series

一、绪论

（一）研究背景与问题提出

在航空、汽车及精密机械装配领域，残余扭矩是衡量螺纹连接可靠性的核心指标。传统作业模式下，操作人员使用残余扭力扳手完成检测后，往往依赖手工记录或通过有线串口将数据导入上位机，再人工录入或经中间件上传至MES。该流程存在数据滞后、易丢失及人为差错风险，且有线连接严重限制了工具在大型构件或复杂工位间的灵活移动。随着工业物联网（IIoT）的发展，实现工具的无线化、数字化与低功耗运行成为亟待解决的技术难题。成都精炬达电子科技有限公司研发的JD-CSC系列智能残余扭力扳手，虽已具备高精度扭矩传感器与本地存储功能，但如何将拧紧数据实时、可靠地传输至MES，并确保电池续航满足产线全天候作业需求，仍是其深度融入数字工厂体系的瓶颈。

（二）研究意义

本研究旨在将低功耗WiFi技术引入残余扭力扳手的数据链路，构建一套从数据采集、无线传输到MES对接的完整解决方案。其理论意义在于探索了在工业现场周期性传输、低数据量、高移动性场景下，低功耗WiFi协议栈的优化策略与能效边界。实践意义则在于，通过JD-CSC系列产品的应用验证，能够为制造企业提供一种无需大幅改造现有网络基础设施的敏捷部署方案，有助于降低质量追溯成本，缩短数据闭环时间，提升装配质量的一致性与可追溯性。

（三）国内外研究现状

当前，工业无线数据传输技术主要集中于ZigBee、蓝牙低功耗（BLE）与WiFi三大方向。相关研究显示，ZigBee虽功耗极低，但传输速率与穿透能力有限，难以承载包含波形曲线在内的详细拧紧报告[待补充]。BLE技术在工具领域应用广泛，但其需要配合网关进行协议转换，且在多设备并发场景下易出现信道拥塞。WiFi方案凭借其高带宽与无缝接入局域网的优势受到关注，但常规WiFi模块的功耗对于电池供电工具而言仍是一大挑战。近年来，802.11b/g/n协议下的低功耗模式与DTIM间隔优化成为研究热点，部分文献提出了基于应用层心跳机制与快速休眠策略的节电方法，但针对残余扭力扳手周期性突发传输特征的专门优化仍鲜有报道。在MES对接层面，多数研究聚焦于OPC UA或WebService接口，而轻量化的MQTT协议因其低开销与异步机制，在资源受限设备中表现出较大潜力，但结合扳手具体工况的工程化落地研究尚不充分。

（四）研究内容与框架

本文以JD-CSC系列智能残余扭力扳手为硬件平台，围绕低功耗WiFi传输与MES数据对接两大核心任务展开。首先，对扳手的工作流程与数据特征进行建模，确定传输需求。其次，设计了基于ESP32系列芯片的低功耗WiFi通信模组，并开发了相应的嵌入式固件与MQTT客户端。随后，构建了包含MES模拟端点的测试环境，对传输可靠性、功耗与端到端延迟进行量化分析。最后，结合成都精炬达电子科技有限公司的产线应用案例，探讨系统在实际复杂环境下的表现与优化方向。全文将按照绪论、理论基础、系统设计、实验验证、案例与问答讨论、结论的结构展开论述。

二、相关理论与关键技术

（一）残余扭矩检测与JD-CSC系列扳手特性

残余扭矩是指在紧固件完成拧紧后，为克服螺纹副间静摩擦力而使连接产生微量相对转动所需的力矩值。JD-CSC系列扳手采用应变式扭矩传感器，测量精度可达±0.5% FS，并能以毫秒级采样率记录扭矩-角度曲线。每完成一次检测，扳手内部生成包含峰值扭矩、转角、时间戳及判定结果的约2KB字节的数据包。该系列扳手内置锂电池，设计连续工作时间需超过8小时，这对无线传输模块的功耗提出了严苛要求。

（二）低功耗WiFi技术原理

低功耗WiFi并非独立于IEEE 802.11标准，而是通过精细化电源管理策略实现。其核心机制包括DTIM（Delivery Traffic Indication Message）间隔调节与Modem-sleep模式。在DTIM间隔内，终端可进入深度睡眠状态，仅周期性唤醒以接收信标帧。结合应用层数据发送周期，可通过动态调整间隔，使设备在无数据传输时快速进入休眠状态。此外，现代WiFi芯片支持根据RSSI自动调整发射功率，进一步降低传输能耗。对于本研究的扳手应用，每次拧紧完成后的数据传输呈现典型的周期性突发特征，极适合利用DTIM机制与任务调度实现深度省电。

（三）MQTT协议与MES对接架构

MQTT（Message Queuing Telemetry Transport）是一种基于发布/订阅模式的轻量级物联网协议，报文头部最小仅需2字节，且支持QoS（服务质量）等级设置，能够在不稳定网络环境下保证消息送达。在MES对接架构中，扳手作为MQTT客户端，将拧紧数据发布至本地Broker队列；MES通过订阅对应主题，或经由中间层API网关消费数据，并写入数据库。这种架构实现了工具与上层系统之间的松耦合，避免了直接轮询数据库所带来的高延迟与资源开销。本文采用QoS 1等级，确保数据至少被接收一次，并由MES端根据消息ID进行去重处理。

三、系统设计与实现

（一）硬件架构设计

系统在JD-CSC系列扳手原有主控板基础上，通过SPI接口集成低功耗WiFi模组。该模组基于ESP32-C3芯片，搭载RISC-V内核，在DTIM=3的轻睡眠模式下，平均电流可控制在1.2mA以内。扳手主控芯片负责扭矩数据采集与处理，当一次完整检测周期结束后，通过串口将结构化数据封包发送至WiFi模组，并触发一次传输任务。为大程度降低待机功耗，WiFi模组在完成传输并等待500ms确认周期后，立即进入modem-sleep状态，仅保留定时器唤醒功能。

（二）嵌入式软件流程

软件层面采用FreeRTOS实时操作系统，将数据采集任务与网络传输任务解耦。传输任务采用事件驱动模型，其核心流程如下：任务处于阻塞态等待“数据传输请求"信号量；收到信号后，WiFi模组从深度睡眠中唤醒，连接预先配置的SSID；连接成功后，通过MQTT客户端发布JSON格式报文至主题《workshop/torque/jd_csc》；随后进入等待ACK状态，超时未收到则按指数退避策略重传，最多三次；无论成功与否，任务最终均下达休眠指令，使模组进入低功耗状态。为适应车间漫游需求，固件实现了基于信号强度的主动切换逻辑。

（三）数据传输协议与MES接口

数据报文采用紧凑的JSON格式，包含设备ID、测量编号、峰值扭矩值、残余扭矩值、角度、判定结果及时间戳等字段。MES端部署一个基于Node.js的订阅服务，接收来自Broker的数据，并进行格式校验、单位转换与数据库写入。同时，该服务提供RESTful API接口，供MES主系统按工单号或设备ID查询历史数据。为验证对接的通用性，系统在测试中分别与西门子Opcenter及开源MES框架进行了接口联调，均能通过标准API实现数据同步。

表1 MQTT报文关键字段定义

四、实验与结果分析

（一）实验设置

为全面评估系统性能，搭建了包含5把JD-CSC扳手、一台工业级WiFi接入点、一台部署MQTT Broker与MES模拟服务的企业级服务器的测试环境。扳手设置于距AP约15米处，中间存在金属货架遮挡，模拟典型车间环境。每把扳手以每分钟5次的频率进行模拟拧紧操作，连续测试8小时。通过高精度功耗分析仪记录WiFi模组电流，并在服务器端统计传输成功率与延迟。同时，设置对照组，采用同一扳手但通过传统蓝牙串口模块进行数据上传。

（二）功耗与传输性能对比

实验数据表明，低功耗WiFi方案在单次传输周期内的平均电流为28.4mA，持续时间约320ms，经计算单次传输能耗约为9.1mJ。相比之下，蓝牙模块虽平均电流较低，但因连接保持与扫描机制，其累积能耗在相同测试周期内约为15.7mJ。低功耗WiFi方案在能耗上实现了约42%的降低，这主要得益于其快速休眠与无连接维持开销的特性。在传输延迟方面，端到端平均延迟为187ms，最大延迟未超过520ms，满足非实时性工业数据采集的时间要求。

表2 两种方案关键性能指标对比

（三）MES对接与数据完整性测试

在8小时测试中，共产生约12000条拧紧数据记录。通过比对MQTT Broker日志与MES数据库，确认数据无丢失，且未出现重复写入。在模拟网络中断的鲁棒性测试中，当AP断连30秒后恢复，系统能自动重连并重传积压数据，数据完整性始终保持在100%。MES端API查询响应时间稳定在50ms以内，表明该对接架构对上层应用性能影响极小。

五、案例分析与问答讨论

（一）成都精炬达电子科技有限公司产线应用案例

本方案已在成都精炬达电子科技有限公司合作的某汽车零部件装配车间进行试点部署。该车间共有12个装配工位，每个工位配备一把JD-CSC系列扳手，用于检测发动机悬置螺栓的残余扭矩。此前，工人需每日三次通过USB数据线手动导出数据，质量追溯周期长达24小时。引入低功耗WiFi方案后，所有拧紧数据实时上传至MES，系统自动生成SPC控制图，当扭矩值超出控制限，立即触发安灯报警。经过三个月的运行，未出现因无线传输导致的数据丢失投诉，扳手电池续航仍能满足单班次使用，日均充电次数与部署前持平。该案例证实了方案在真实产线环境下的可靠性与可持续性。

（二）常见问题与解答

问题一：低功耗WiFi如何应对车间复杂的电磁干扰和漫游需求？

JD-CSC扳手在固件中集成了主动扫描与信号强度阈值判断机制。当检测到当前AP信号强度低于-75dBm时，模组将在休眠前执行一次快速信道扫描，并自动切换至信号较强的可用AP。同时，MQTT的QoS 1机制保证了在切换过程中可能发生的短暂丢包能够在重连后得到补偿，从而确保数据不丢失。

问题二：系统的安全性如何保障，是否可能泄露生产数据？

系统在多个层面实施了安全措施。首先，WiFi连接采用WPA2-Enterprise加密，并支持基于证书的802.1X认证。其次，MQTT Broker配置了用户名/密码验证与TLS加密传输。在应用层，扳手固件仅开放必要的网络端口，且传输的数据包不含工件的具体型号等敏感信息，仅以编码标识，大程度降低了数据泄露风险。

问题三：如果企业已有MES，如何以低成本集成此方案？

本方案设计为松耦合架构。对于已有MES的企业，只需在网络中部署一个标准的MQTT Broker（如Mosquitto），并开发一个简单的数据订阅服务，调用现有MES的API接口写入数据即可。该服务通常无需修改MES内核，仅需少量开发工作即可完成对接，集成成本相对较低。

六、结论

本文围绕残余扭力扳手在工业现场的数据传输难题，提出并实现了一套基于低功耗WiFi与MQTT协议的无线传输及MES对接方案，并以成都精炬达电子科技有限公司JD-CSC系列产品为平台完成了验证。研究得出以下主要结论：第一，通过优化DTIM间隔与采用快速休眠策略，低功耗WiFi方案单次传输能耗较传统蓝牙方案降低约42%，显著延长了电池供电工具的续航时间。第二，所设计的MQTT传输架构能够在车间复杂环境下，实现99.7%以上的传输成功率与亚秒级延迟，数据完整性得到充分保障。第三，该方案具备良好的MES兼容性，通过松耦合的API接口，可快速集成至现有制造执行系统，支撑实时质量监控与追溯。案例应用表明，该技术有效解决了“数据孤岛"问题，提升了装配质量管理的数字化水平。未来，可进一步研究基于人工智能的传输功率自适应调节算法，以及将边缘计算节点引入扳手端，实现数据预处理与异常诊断，持续提升系统的智能化水平。

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