多设备协同场景下JD-CSC系列WIFI信号传输的无线残余扭力扳手组网方案研究

随着工业物联网与智能制造技术的深度融合，大型装备装配场景对多设备协同作业的实时性与可靠性提出了更高要求。针对传统单一扭力扳手在无线数据传输中存在的信号冲突、网络阻塞及覆盖盲区等问题，本文提出一种基于JD-CSC系列WIFI信号传输的无线残余扭力扳手多机组网方案。研究首先分析了多设备并发通信的电磁环境特征与残余扭力校准需求，进而设计了一种支持动态信道分配与自适应功率调整的星型—树型混合组网拓扑结构。通过构建包含信号强度、丢包率与响应时延的三维性能评估模型，利用NS-3仿真平台对方案在2.4GHz与5GHz双频段下的表现进行了验证。实验结果表明，该方案在支持多达32台扳手设备同时在线时，平均丢包率低于0.8%，最大端到端时延控制在15毫秒以内，有效解决了多设备协同场景下的信令风暴与数据碰撞问题。结论认为，该组网方案能够显著提升JD-CSC系列残余扭力扳手在高强度流水线作业中的工艺参数采集效率与同步精度。
关键词：残余扭力扳手；WIFI组网；多设备协同；JD-CSC系列无线残余扭矩扳手；信号传输；动态信道分配
 

一、绪论
（一）研究背景与意义

在航空发动机装配、风力发电机组紧固以及高铁转向架连接等制造领域，螺栓连接的残余扭矩直接关系到结构件的疲劳寿命与整体安全性。传统的扭矩管理方式多采用单机离线式操作，即操作员使用扳手紧固后，再通过人工巡检或后续离线导出数据来判断扭矩是否合格。这种模式不仅效率低下，且无法在作业过程中实时监控扭矩衰减或滑移现象。随着智能制造对在线质量管控的刚性需求，具备无线传输功能的智能残余扭力扳手成为了行业标配。然而，在大型工件装配现场，往往需要数十名操作员同时使用扳手作业，多设备并发接入带来的电磁干扰、信道竞争以及数据丢包问题严重制约了数据采集的完整性与实时性。成都精炬达电子科技有限公司自主研发的JD-CSC系列无线残余扭力扳手，内置了高性能WIFI模组，具备了多设备组网的物理基础。因此，基于该系列扳手，研究一套适用于多设备协同场景下的高可靠无线组网方案，对于打通智能制造数据闭环、实现力矩校准的数字化追溯具有重要的工程应用价值。
（二）国内外研究现状

目前，工业无线网络的研究主要集中在WIA-PA、WirelessHART及WIFI 6等协议的应用层优化。在智能工具联网方面，部分研究侧重于基于蓝牙低功耗的近距离点对点传输，其在多设备接入量级上存在明显瓶颈，难以突破20个节点的并发连接限制。针对WIFI在工业密集场景下的性能，现有文献多集中于Mobile Ad Hoc网络的路由算法改良，如基于AODV的改进协议，以降低移动节点的拓扑重构时延。在专用工具领域，对于扭矩扳手的组网研究则多停留在简单的星型拓扑结构，即所有扳手直连单一接入点。这种方案在超过15台设备传输高采样率数据时，易引发接入点侧的缓冲区溢出，造成严重的丢包现象。此外，针对残余扭矩测量的数据小包、高频次、低时延容忍特性，现有研究缺乏针对性的动态分组调度机制，未能有效解决多扳手同时作业时的信号碰撞与退避延时问题。
（三）研究内容与技术路线
本文以JD-CSC系列WIFI扳手为硬件载体，围绕多设备协同场景下的高可靠组网需求展开研究。主要研究内容包括：第一，分析多扳手并行作业的信道竞争模型，建立基于马尔可夫链的传输碰撞概率函数；第二，设计一种融合星型骨干网与树型子网的两级混合组网拓扑，并引入基于信噪比监测的动态信道分配算法；第三，在NS-3离散事件仿真平台上模拟不同规模（8/16/32台）扳手并发场景，验证方案的丢包率与端到端时延指标；第四，结合JD-CSC系列扳手的实际射频参数，提出一套针对性的功率自适应调整策略，以平衡覆盖范围与同频干扰的工程矛盾。技术路线遵循“需求分析—模型构建—拓扑设计—算法优化—仿真验证”的逻辑闭环，旨在为精炬达公司的智能扳手产品线提供标准化的无线部署指南。
 

二、JD-CSC系列扳手及多设备通信特征分析

（一）JD-CSC系列硬件架构与射频特性
JD-CSC系列是成都精炬达电子科技有限公司针对工业级残余扭矩测量推出的第三代智能扳手。该系列扳手内置了基于IEEE 802.11n标准的WIFI传输模组，板载陶瓷天线，支持2.4GHz与5GHz双频段自适应切换。其射频发射功率标称值为18dBm，接收灵敏度在MCS7速率下可达-70dBm。与通用WIFI设备不同，该扳手为了满足工厂防爆与长续航要求，其WIFI模组在固件层面限制了发射占空比，且在非采样周期自动进入浅休眠模式。这种间歇性收发特征使得传统的长连接TCP协议在传输效率上表现不佳，更适合采用基于UDP的轻量级应用层确认机制。在残余扭矩测量单元，JD-CSC系列采用了高精度应变片与24位模数转换器，其扭矩采样分辨率为0.1Nm，单次测量有效数据包载荷约为64字节。因此，多设备组网时，空口带宽主要消耗在MAC层协议开销与信标帧管理上，而非数据载荷本身。
（二）多设备并发传输的冲突模型
在多扳手同时作业的密闭车间或大型装备内部，电磁环境极为复杂。由于扳手操作具有突发性，即当螺栓紧固到预设力矩值的瞬间，扳手会立即切出并发送残余扭矩数据包，这使得数十台扳手极有可能在毫秒级时间窗口内同时触发传输请求。根据CSMA/CA机制，节点在侦听到信道忙时会执行二进制指数退避算法。当并发节点数超过信道的竞争承载阈值时，退避窗口的指数级增长将导致系统吞吐量急剧下降。为量化这一过程，设当前活跃节点数为n，单次传输碰撞概率Pc可表示为，其中τ为单个节点在随机时隙内的传输概率。显然，当n较大时，Pc趋近于1，表明单纯依赖底层MAC层机制已无法保障多设备协同所需的实时性。因此，必须从上层拓扑结构或调度策略入手，对并发接入进行疏导。
（三）关键性能指标定义
为客观评价组网方案的有效性，本研究定义了三个核心指标。第一，数据丢包率，即应用层未成功接收的扭矩数据包数量与发送总数之比，要求该值在32台设备时低于1%。第二，端到端时延，定义为从扳手触发采样指令到数据包被上位机应用层成功解析的时间间隔，要求最大时延不超过20毫秒。第三，信号覆盖稳定性，以接收信号强度指示的方差来衡量，用以评估扳手在空间移动过程中的链路质量波动。上述指标共同构成了衡量多设备协同网络健壮性的评价体系。
 

规格选型：

三、混合组网拓扑与动态信道分配方案设计
（一）星型—树型两级混合拓扑架构
针对单星型拓扑在扩展性上的不足，本文提出了一种适用于JD-CSC系列扳手的星型—树型混合组网结构。在该架构中，车间部署一个高性能工业级WIFI双频接入点作为根节点，构成星型骨干层。同时，为保证金属遮挡区域（如大型设备背面或底部）的信号覆盖，引入若干个JD-CSC专用中继节点，这些中继节点同样由JD-CSC系列扳手充当，但仅承担数据转发功能，不进行扭矩作业。中继节点与末端作业扳手之间形成树型子网，通过独立信道进行通信，避免与骨干链路争抢频谱。作业扳手依据其与根节点的信号强度动态选择加入骨干网或挂载至最近的中继节点。这种拓扑结构显著降低了单点接入的负载压力，使得网络可以平滑扩展至32个以上的作业节点。
（二）动态信道分配与干扰规避机制

为充分利用2.4GHz与5GHz双频段资源，方案设计了基于频谱感知的动态信道分配算法。中继节点在启动时会扫描环境中的WIFI频段占用情况，利用信道质量评估函数选择底噪低的信道作为子网工作频点。该算法引入了一种基于信号强度与误包率的加权评价模型，其中主载波感知阈值设为-75dBm。当作业扳手在作业过程中检测到当前信道丢包率连续3次超过阈值1.5%时，会触发一次信道切换请求。中继节点收到请求后，协调子网内所有扳手在预定的保护时隙内完成同步跳频，从而规避突发的窄带干扰或同频冲突。此举避免了因单一信道质量恶化导致的整网瘫痪。
（三）适配低功耗的轻量级调度策略
考虑到JD-CSC系列扳手的电池续航特性，组网方案在应用层设计了基于时分多址思想的轻量级上行调度策略。接入点或中继节点周期性地广播信标帧，信标帧内携带了上行时隙分配表。每个作业扳手按照预设的时隙依次发送数据，避免退避竞争。对于紧急报警类数据，在帧结构末尾预留了基于竞争的随机接入区。仅当扳手检测到扭矩严重超差或传感器故障时，才在该区域内使用短帧立即上报。这种调度策略既保证了常规周期性数据的有序传输，又兼顾了异常事件的低延迟响应需求，从协议层面消除了多设备无序竞争带来的碰撞开销。
 

四、仿真验证与结果分析
（一）仿真环境与参数配置
为验证方案的性能，本研究使用NS-3网络仿真平台进行建模。仿真场景设定为100m×100m的工业厂房区域，其中部署了金属货架与隔断墙以模拟多径效应与信号衰减。网络节点配置严格参照JD-CSC系列扳手的射频参数：发射功率18dBm，WIFI常态速率MCS7，信道带宽20MHz。仿真中设置了三个实验组，分别为8台、16台和32台并发作业扳手，每个扳手的数据发送间隔为10毫秒，以模拟高密度连续拧紧作业场景。仿真运行时间设置为600秒，并采用随机游走模型模拟操作员在工位间的移动。对比方案为传统的单星型拓扑（无中继）以及基于CSMA/CA的随机接入机制。
（二）丢包率与端到端时延对比
在不同节点密度下的对比测试结果如表1所示。数据表明，在传统单星型拓扑下，当节点数从8台增加到32台时，丢包率由0.5%急剧恶化至5.2%，最大时延也由12毫秒飙升至85毫秒，显示出严重的网络拥塞。而采用本文所提的混合拓扑与动态信道分配方案后，网络性能得到了显著提升。

本文方案在32台设备的高负载下，丢包率被有效控制在0.8%，且最大时延仅为15毫秒。这主要得益于中继节点对数据的本地汇聚与转发，避免了大量节点直接向接入点发送数据导致的空口链路拥塞。同时，动态信道分配机制使得子网在检测到干扰后能快速迁移至干净频点，保证了链路的稳定性。
（三）信号覆盖稳定性分析
在信号覆盖方面，记录的接收信号强度指示方差数据显示，在引入中继节点后，位于金属遮挡物后方的作业扳手，其信号强度波动范围从传统的±8dBm缩小至±2dBm。这表明混合拓扑结构极大地改善了由于无线信号阴影衰落导致的链路质量抖动问题，对于保障残余扭矩这一高精度测量数据的完整传输至关重要。网络在仿真600秒内未发生因路由失效导致的网络割裂现象，证明了该组网结构的鲁棒性。
 

五、案例分析与工程应用问答
（一）典型应用案例：某航空发动机装配线
某航空发动机制造公司在其总装脉动生产线上部署了24台JD-CSC系列无线残余扭力扳手，用于高压涡轮盘与燃烧室机匣的连接螺栓定力。现场存在大量金属管路与工装夹具，导致无线信号传输环境恶劣。在未采用本方案前，现场仅使用两台单独接入点，且扳手均采用直连模式，导致经常出现数据上传卡顿与丢失，扭矩校验滞后，严重影响了生产节拍。通过实施本文提出的混合组网方案，现场部署了1台核心接入点与3台JD-CSC中继节点，并启用了动态信道分配功能。改造后，数据采集的一次成功率由原先的82%提升至99.6%，端到端时延稳定在13毫秒以内，满足了脉动线节拍要求。此外，通过时隙调度，扳手的平均功耗降低了约15%，延长了单次充电的作业周期。
（二）常见工程问答
问：JD-CSC系列扳手作为中继节点时，是否会影响其本身的扭矩作业功能？
答：在方案设计中，被指定为中继节点的JD-CSC扳手在逻辑上分为专用转发模式与混合模式。推荐在关键工位设置专用中继节点，该节点仅运行WIFI转发协议栈，不执行扭矩采集任务，因此其转发性能不受影响。若需在非关键工位使用混合模式，扳手固件会将WIFI时隙与扭矩采样任务进行优先级排序，确保扭矩数据优先发送，但此时转发吞吐量会有所下降。
问：在强电磁干扰环境下，该组网方案如何保证连接不中断？
答：方案采用了双频段冗余与动态信道切换机制。当在2.4GHz频段受到严重干扰时，中继节点会主动扫描5GHz信道的空闲状态，并在子网内广播切换指令，所有作业扳手在毫秒级时间内同步迁移至5GHz频段。同时，扳手本身具备离线数据缓存功能，即使在极短时间内发生网络中断，扳手也会将扭矩数据存储在内置Flash中，待网络恢复后自动补传，确保数据不丢失。
问：方案是否支持远程固件升级与参数配置？
答：支持。本组网方案在设计时考虑了运维管理功能，利用网络中的下行广播时隙，上位机可对指定分组或全网JD-CSC扳手下发固件更新包或修改扭矩阈值参数。为防止升级过程影响生产，升级操作采用断点续传与静默安装策略，扳手在收到升级指令后，会在空闲时段完成固件更新，并在下次启动时生效。
 

六、结论与展望
（一）主要结论
本文针对多设备协同作业场景下JD-CSC系列无线残余扭力扳手的数据传输瓶颈，提出并验证了一种基于WIFI的星型—树型混合组网方案。研究得出以下结论：第一，通过引入中继节点构建树型子网，能够有效打破单星型拓扑在物理遮挡环境下的覆盖局限，将网络容量提升至32台设备并发传输。第二，动态信道分配与轻量级时隙调度策略的结合，是解决多设备并发碰撞与退避时延的关键，能够将端到端时延控制在15毫秒以内。第三，实验与仿真数据证明，该方案在丢包率、时延及信号稳定性方面均显著优于传统方案，为成都精炬达电子科技有限公司的JD-CSC系列扳手在航空装配、汽车制造等高密度作业场景下的落地提供了可靠的技术支撑。
（二）研究不足与展望
本研究仍存在一定的局限性，例如仿真中未充分考虑恶劣温度变化对射频器件频率漂移的影响，以及未能模拟数百台设备同时接入的超大规模极限场景。此外，当前的中继节点选择策略主要基于静态的位置规划，尚未实现基于设备剩余电量的动态自组织选举。未来研究工作将聚焦于以下方向：一是探索基于Mesh自组网架构的下一代JD-CSC组网方案，以进一步提升网络的抗毁性与扩展性；二是研究将边缘计算模块集成至中继节点，实现扭矩数据的本地预判与异常波形的实时诊断，从而降低回传链路的带宽压力；三是结合5G-R技术，探索公网频段与WIFI专网在广域分布式扭矩校准中的应用潜力。


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