摘要：针对天然气泄漏可能引发的安全问题，设计了基于窄带物联网的天然气泄漏检测和定位系统。该系统以嵌入式芯片 STM32 为核心，由 USB 或锂电池供电，采用气敏传感器、温湿度传感器和 GPS 模块实现对天然气浓度、环境温湿度和泄漏点经纬度信息的检测，并能够实时监测锂电池电量信息。通过数据通信模组 BC26 与阿里云平台建立通信，将检测数据实时上传至云平台。该系统能够实现天然气泄漏远程检测与定位，有助于提高天然气泄漏事故的预警能力。

关键词：燃气检测；定位；物联网

引言

燃气管道作为国家重要的基础设施，近些年使用规模大幅增长。天然气燃烧速度适中，热值高且稳定，燃烧产生的二氧化碳和污染物相对较少，对环境的污染更小，被视为一种清洁、高效的能源。因此，中国重视西气东输等天然气重大项目建设。截至 2023 年底，全国在役天然气管道里程约 5.7 万公里，覆盖全国 30 个省（区、市）。天然气“全国一张网”的建设稳步推进，天然气管道互联互通能力不断提升。

但是，随着燃气管网老旧程度加深，燃气泄漏事件逐年增多，安全管理形势日益严峻。中国城市燃气协会安全管理工作委员会发布的《全国燃气事故分析报告（2024 年·上半年报告）》和《全国燃气事故分析报告（2024 年·第三季度）》显示，2024 年前三季度，天然气事故 148 起，共造成 15 人死亡、88 人受伤 [1]。由报告可知，天然气用户事故原因主要有燃气软管问题（软管脱落和老化破损）、室外燃气泄漏窜入室内、人为损坏燃气管等等。因此，除积极贯彻落实《全国城镇燃气安全专项整治燃气管理部门专项方案》（建城函 ^[2023]70 号）等要求外，还应开展燃气泄漏检测方面的研究。在燃气泄漏事故初起时，快速准确地获取泄漏点的燃气浓度等现场信息，并对泄漏点位置进行实时定位，从而快速做出科学有效的决策，对提高天然气泄漏事故的监测和预警能力具有重要意义。

国内在天然气泄漏检测技术方面取得了一定成果。靳世久 [2] 等人在负压波法的基础上采用极性相关算法对泄漏点进行定位，在低噪声的条件下有不错的定位效果； 胡瑾秋 [3] 等人利用谐波小波相位特性对小尺度管道泄漏进行检测； 马丽娜 [4] 在管道传输模型的基础上，对管道工况进行了研究，分析了不同工况下的模型参数对定位精度的影响；娄桂云[5] 等将车载FID 检测技术、GPS 定位系统和GIS 地理信息系统相结合，提高了管网检漏的信息化管理水平，降低了泄漏误报和漏报；张双双 [6] 采用次声波传感器对天然气泄漏产生的信号进行采集，通过LoRa 和NB-IoT 模块实现数据的汇聚和上传。

一、系统总体方案

系统采用 STM32 芯片作为主控制器，半导体气敏传感器 MQ-5用于检测天然气浓度，数字传感器DHT11 用于检测环境温湿度，GPSNEO-6M 模块用于检测经纬度定位信息。同时，还能够检测锂电池电量信息。通过通信模组 BC26 将上述检测数据实时上传至阿里云物联网平台，实现云平台端数据的显示和存储，便于远程实时监测。系统总体结构如图1 所示。

图1 系统设计框图

二、系统设计

基于物联网的燃气管道泄漏检测与定位系统主要分为感知层、传输层和应用层。感知层实现数据的采集，网络层实现数据的传输，应用层实现数据的处理与显示。

1、感知层

感知层是系统的基础载体，主要由检测节点构成。采用气敏传感器、环境温湿度传感器、定位传感器等获取天然气泄漏时扩散的燃气浓度值、环境温湿度信息以及泄漏点的位置信息，从而实现天然气泄漏检测及泄漏区域锁定。

针对天然气检测，系统选用 M Q-5 可燃气体传感器。该传感器是一款针对甲烷等可燃气体检测的半导体式传感器，而天然气的主要成分正是甲烷。其凭借低成本、高灵敏度的优势，在家庭安防、工业巡检、燃气设备等领域应用广泛。MQ-5 传感器内部包含两大关键组件：一是由氧化锡半导体材料制成的气敏层，其电阻值会随环境中天然气浓度变化而显著变化；二是用于激活气敏层的加热丝，需通过稳定供电维持高温工作状态，以确保半导体材料具备足够的气体吸附与反应能力。MQ-5 传感器的检测范围通常为 100-10000ppm 。设计中，将传感器的模拟输出信号进行模数转换，以获得天然气浓度信息。

高温会加速泄漏天然气分子运动，使其泄漏后扩散更快、范围更广，增加火灾风险；低湿度易产生静电，若气体达爆炸极限，增加爆炸风险。因此，需要同时对环境温湿度进行实时监测，全面掌握现场情况。系统选用DHT11 温湿度传感器。DHT11 是低成本数字式传感器，采用单总线通信，仅需一根数据线即可与 STM32 进行交互，接线简单、集成度高。它的温度测量范围是 -20%～+60% ，湿度测量范围是5%RH～95%RH ，温度精度 ±2% ，湿度精度 ±5%RH_⨀ 。设计中，首先复位DHT11 传感器模块，等待回应，确保能够检测到传感器，然后，按照单总线协议，通过传感器数据输出端读取空气温湿度数据。

GPS 全球定位系统的定位精度高、全域覆盖能力强，并且全天候稳定性突出，此外，除三维坐标外，还能同步提供时间、速度等数据，提供丰富信息支撑。采用GPS 技术获取泄漏点精确的经纬度数据，将天然气浓度信息和定位信息融合，可以迅速锁定泄漏点的具体位置。

GPS 模块采用 U-BLOX NEO-6M 模组，具有冷启动、温启动和热启动三种启动模式。GPS 模块自带后备电池，即使主电源断开，后备电池仍可以维持一段时间星历数据的保存，以支持温启动或热启动，从而实现快速连续定位。设计中，GPS 模块与STM32 之间通过串口通信。首先对串口进行初始化，配置GPIO 工作模式、速率、中断优先级等，之后判断 GPS 模块是否在位，如果接收到有效数据，依据 NMEA-0183 协议对 GPRMC 进行数据解析，并存入相应结构体，得到经纬度定位信息。

系统可由 USB 接口或单节锂电池供电，通过拨码开关切换供电方式。在使用电池供电时，需要对电池电量信息进行实时采集，便于用户进行维护。为了实现锂电池电量的实时检测，将锂电池电极连接至单片机内部模数转换器输入端，将电池模拟电压进行A/D 转换处理。

MQ-5 传感器模拟输出量和锂电池电量均要进行 A/D 转换 [7]。而DMA（Direct Memory Access，直接存储器存取）传输方式通过硬件为RAM 与I/O 设备开辟一条直接传送数据的通路，允许外部设备直接读写系统存储器，不需CPU 参与处理，大大提高CPU 的效率。设计中，首先对 GPIO 进行初始化，然后开启 A/D 转换，将数据存入 ADC 数据寄存器，采用 DMA 传输方式将数据从 ADC 据寄存器存入事先定义好的二维数组中，经过多次采样求平均值，最后分别进行数值转换。

2、传输层

传输层是感知层和应用层进行信息交互的桥梁，完成检测节点数据的汇聚和上传。通过物联网技术将各节点的检测数据进行无线传输，上传至物联网平台，保证在复杂环境下数据传输的可靠性。

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）通过增强上行信道功率谱密度和在下行信道重复发送信息来提高信号覆盖能力，可以在普通无线网络信号难以到达的地方实现广覆盖。NB-IoT具备支撑海量链接的能力，通过窄带技术、上行等效功率提升等方式大大提升信道容量。NB-IoT 通过减少不必要的信令、更长的寻呼周期进入节能模式等机制来达到省电的目的。低功耗、低带宽可以降低终端的复杂度，进而减少成本。NB-IoT 直接部署于现有蜂窝网络，工作在授权频谱，支持双向鉴权和空口严格的加密机制，安全性强。NB-IoT 技术因其广覆盖、大连接、低功耗、低成本、安全性等优势，适合面向低速物联网终端进行部署，因此本系统采用 NB-IoT 技术，对天然气浓度、环境温湿度、经纬度等信息进行实时监测、无线传输和云端存储 [8,9]。设计中，采用移远公司 BC26 通信模组建立 STM32与云平台之间的无线通信，实现天然气浓度、环境温湿度、经纬度、电池电量等信息的上传。

3、应用层

应用层是实现统一管理、分析的基础，采用运营商提供的开放物联网云平台实现系统的人机交互，可实现天然气泄漏浓度显示、环境温湿度显示、泄漏点位置显示等功能，从而实现对天然气泄漏检测和预警的智能化管理。

系统基于阿里云平台实现云服务部署，检测设备通过 MQTT 协议与云平台建立连接。首先，注册账号后，进入物联网平台控制台创建产品。节点类型为直连设备，连网方式为蜂窝（2G/3G/4G/5G），数据格式为 ICA 标准数据格式（Alink JSON）。之后，添加设备，进行功能定义。确定功能名称、标识符、数据类型、取值范围、步长、单位等参数。最后，发布上线，并开启实时刷新。在平台端可实现检测数据的实时显示和历史数据查询，支持表格形式和图表形式。

三、系统测试

本系统以 STM32 为控制核心，采用 MQ-5、DHT11、GPS 等模块，采集天然气浓度、环境温湿度、经纬度等信息，实现多信息融合。基于窄带物联网技术，通过 NB-IoT 模组 BC26，可将检测到的信息上传至阿里云平台，实现数据的实时显示和历史查询。系统供电方式灵活，可自由切换，能够支持锂电池电量信息监测，便于远程实时监测，易于维护。

四、结论

该系统采用新兴的窄带蜂窝物联网技术，结合阿里云物联网平台，相比传统物联网技术具有更广泛的应用场所，更长的工作时间，简化了开发流程，降低了维护难度。系统能够快速定位天然气泄漏点，为抢险救援提供实时的现场数据和位置信息。这有助于及早发现潜在的风险，精准掌握泄漏现场的情况，制定有效的应急方案，快速调动救援力量，减少泄漏事故造成的损失。

参考文献

[1] 中国城市燃气协会安全管理工作委员会 . 全国燃气事故分析报告 (2024 年·上半年报 2024 年·第三季度 ) [EB/OL].https://files-cms-ranqi.zhongkefu.com.cn/ranqifiles/upload/ranqi/67332642c4669.pdf

[2] 边旭 , 张宇 , 王佳强 , 靳世久等 . 基于声传感器阵列的连续泄漏定位方法研究 [J]. 振动与冲击 ,2017,36(06):134-139.

[3] 胡瑾秋 , 张洋铭 , 刘佳豪 , 等 . 基于多源数据的城市社区燃气管道突发事件风险分析 [J]. 安全与环境工程 ,2024,31(04):1-10.

[4] 马丽娜 . 基于模型的输油管道泄漏检测与定位方法研究 [D].北京化工大学 ,2009.

[5] 娄桂云 . 燃气泄漏检测信息系统在管网检漏的应用 [J]. 煤气与热力 ,2011,31(10):24-27.

[6] 张双双 . 燃气管道泄漏监测与定位系统研究 [D]. 安徽理工大学 ,2020.

[7] 曾富强 , 李宁 , 石庆烛 , 等 . 基于 STM32 的燃气智能应急处理装置设计 [J]. 机电工程技术 ,2023,52(10):155-157+195.

[8] 齐飞龙 , 郑晓亮 , 胡业林 , 等 . 基于窄带物联网的燃气管道泄漏定位系统设计 [J]. 现代电子技术 ,2020,43(22):19-22.

[9] 常磊 , 田申 , 蔡永伟 . 城市地下密闭空间可燃气体泄漏监测系统 [J]. 煤气与热力 ,2020,40 (02):29-31+43.

课题来源：衡水学院 2024 年校级科研项目“基于物联网的燃气管道泄漏检测与定位系统研究”（2024ZRY03）

作者简介：侯晓云（ 1984.6- ），女，汉族，人，硕士研究生，讲师，研究方向：传感检测与智能控制。