多维度数据采集方案

[gac0812]

多维度数据采集方案

以下文档经过真机测试得出

文档目的

本文档说明 Android 客户端各项数据是如何获取、系统函数实际返回什么、应用进行了哪些转换、最终形成哪些字段，以及这些数据的权限和精度限制。运动状态不作为已接入功能展开，仅说明方案状态、不可用原因和待定条件。

本文只整理采集端的数据定义和运动方案状态，不展开自动上传、后端存储和网页看板的实现细节。

需要区分四类数据来源：

1. 系统状态直接值：例如铃声模式、电池状态。
2. 系统原始测量值：例如经纬度、麦克风 PCM 采样。
3. 外部服务返回值：例如 Open-Meteo 返回的天气和温度。
4. 应用计算结果：例如由 PCM 振幅计算出的 dBFS 和噪声等级。

方案实现状态

这里的“可实现”表示当前项目有明确的系统或外部接口路径，并且可以在目标 Android 客户端中接入；仍然可能受到运行时权限、网络、设备硬件或系统设置影响。

功能或方案	状态	结论
铃声模式	可实现	AudioManager.getRingerMode() 可以直接返回系统铃声模式。
电量与充电	可实现	ACTION_BATTERY_CHANGED 可以返回电量、充电状态和电源类型。
定位	可实现	LocationManager 可以返回经纬度和定位相关信息，但需要用户授权定位。
天气与温度	可实现	通过定位结果调用 Open-Meteo；依赖网络和有效经纬度。
环境噪声	可实现	AudioRecord 可以读取 PCM 幅度并计算相对 dBFS；需要麦克风权限。
设备标识和时间	可实现	ANDROID_ID、设备型号和客户端系统时间可以直接读取。
调用Google Activity Recognition接口获取运动状态	不可实现	当前目标环境不能保证 Google Play services，不能作为可交付的通用方案。
系统传感器 + GPS 规则推断运动状态	待定	技术上可以运行，但精度取决于自定义规则设定、采样参数和实测校准，尚未达到确定交付标准。

Google Activity Recognition：不可实现的原因

原方案通常调用：

ActivityRecognition.getClient(context);
ActivityRecognitionClient.requestActivityUpdates(...);

或者使用 ActivityTransitionClient 监听活动进入和退出。

这些接口由 Google Play services 提供，主要问题是：

1. 需要引入 com.google.android.gms:play-services-location 等 Google 依赖。
2. 设备必须安装并正常运行 Google Play services；许多没有 GMS 的国内 Android 设备无法使用。
3. Android 10 及以上还需要 android.permission.ACTIVITY_RECOGNITION 运行时权限。
4. 在 GMS 缺失、版本不兼容或 Google 服务被限制时，接口可能无法初始化或持续返回结果。
5. 它识别的是手机活动类型，不保证能区分具体汽车、公交或地铁，也不等于用户实际交通方式。

因此，Google 接口并非“技术上完全不存在”，而是在当前项目需要覆盖的设备环境中不可作为稳定交付方案。当前工程已移除该依赖、权限和接收器。

系统传感器 + GPS：待定

该方案可以调用 Android 原生接口：

SensorManager.registerListener(
        listener,
        accelerometer,
        SensorManager.SENSOR_DELAY_GAME
);

LocationManager.requestLocationUpdates(...);
Location.getSpeed();

但 Android 原生不会直接返回“步行”“跑步”“乘车”这样的高层分类，应用必须自己制定规则，例如：

• 用加速度计计算线性加速度 RMS。
• 用陀螺仪衡量设备旋转幅度。
• 用 Location.getSpeed() 判断持续速度。
• 用采样窗口、阈值、平滑和滞回避免状态抖动。

该方案的精度取决于以下规则和条件：

• 采样时长和采样频率。
• 加速度、陀螺仪和 GPS 的阈值设定。
• GPS 位置的精度、更新时间和是否存在漂移。
• 手机放置姿态、机型传感器质量和厂商系统处理。
• 是否使用多次采样投票、平滑和状态滞回。
• 是否针对不同机型和场景单独校准。

因此当前应把输出理解为“规则推断结果”，而不是系统保证的真实交通状态。该方案只有在完成真实设备和场景测试后，才能从“待定”调整为“可实现”。

实现位置

以下路径相对于 Android 工程根目录：

• app/src/main/java/com/example/devicepulse/DeviceReporter.java：铃声、电池、定位、天气和噪声采集编排。
• app/src/main/java/com/example/devicepulse/WeatherClient.java：Open-Meteo 请求和地名解析。
• app/src/main/java/com/example/devicepulse/NoiseMonitor.java：麦克风 PCM 采样和 dBFS 计算。
• app/src/main/AndroidManifest.xml：Android 权限声明。

采集链路

Android 系统 API / 外部天气 API
                |
                v
DeviceReporter 读取并转换数据
                |
                v
Snapshot 保存最近一次有效数据
                |
                v
形成客户端上报字段

功能总览

功能	主要调用	原始数据	当前上报数据	权限	状态
铃声模式	AudioManager.getRingerMode()	整数模式常量	响铃、振动、静音	无	可实现
电量与充电	ACTION_BATTERY_CHANGED	电量、状态、电源类型	百分比、是否充电、充电来源	无	可实现
定位	LocationManager	Location 对象	纬度、经度	定位权限	可实现
天气与温度	Open-Meteo	当前气温、体感温度、天气代码	天气文字、温度、体感温度、地点	网络和定位权限	可实现
环境噪声	AudioRecord	16 位 PCM 采样	dBFS、安静/一般/嘈杂	麦克风权限	可实现
设备标识和时间	Settings.Secure、Build、系统时钟	标识、厂商、型号和时间	device_id、device_name、captured_at	无	可实现

1. 铃声模式

1.1 调用的系统函数

AudioManager audio =
        (AudioManager) context.getSystemService(Context.AUDIO_SERVICE);

int mode = audio.getRingerMode();

Context.getSystemService(Context.AUDIO_SERVICE) 返回 Android 的 AudioManager 系统服务对象。

AudioManager.getRingerMode() 返回一个 int，表示当前系统铃声模式。

1.2 系统真实返回值

数值	Android 常量	系统含义	应用转换值
0	AudioManager.RINGER_MODE_SILENT	静音模式	静音
1	AudioManager.RINGER_MODE_VIBRATE	振动模式	振动
2	AudioManager.RINGER_MODE_NORMAL	正常响铃模式	响铃

1.3 状态变化监听

系统铃声模式变化时会发送：

AudioManager.RINGER_MODE_CHANGED_ACTION

应用注册广播接收器，收到广播后重新调用 getRingerMode()，而不是直接依赖广播附带的值。

1.4 能提供和不能提供的数据

可以提供：

• 当前铃声模式。
• 铃声模式是否发生变化。

不能直接提供：

• 当前铃声音量数值。
• 当前媒体音量或闹钟音量。
• 是否处于勿扰模式。
• 某个具体通知是否会发声。

如需铃声音量，可增加：

audio.getStreamVolume(AudioManager.STREAM_RING);
audio.getStreamMaxVolume(AudioManager.STREAM_RING);

如需勿扰状态，可增加：

NotificationManager.getCurrentInterruptionFilter();

2. 电量与充电状态

2.1 调用的系统函数

Intent intent = context.registerReceiver(
        null,
        new IntentFilter(Intent.ACTION_BATTERY_CHANGED)
);

Intent.ACTION_BATTERY_CHANGED 是 Android 电池状态粘性广播。

传入 null 接收器不会持续注册监听器，而是立即取得系统保存的最近一份电池状态 Intent。

2.2 读取的原始字段

当前代码从 Intent 中读取：

int level = intent.getIntExtra("level", -1);
int scale = intent.getIntExtra("scale", 100);
int status = intent.getIntExtra("status", -1);
int plugged = intent.getIntExtra("plugged", 0);

字段	Java 类型	真实含义	常见示例
level	int	当前电量刻度	76
scale	int	满电刻度，通常为 100	100
status	int	电池充放电状态常量	2
plugged	int	当前接入电源类型常量	2

2.3 电池状态原始值

Android 常量	数值	含义	当前是否视为充电
BATTERY_STATUS_UNKNOWN	1	未知	否
BATTERY_STATUS_CHARGING	2	正在充电	是
BATTERY_STATUS_DISCHARGING	3	正在放电	否
BATTERY_STATUS_NOT_CHARGING	4	已接电但当前未充电，或系统报告未充电	否
BATTERY_STATUS_FULL	5	电量已满	是

2.4 电源接入类型

Android 常量	常见数值	应用显示
BATTERY_PLUGGED_AC	1	适配器充电中
BATTERY_PLUGGED_USB	2	USB 充电中
BATTERY_PLUGGED_WIRELESS	4	无线充电中
其他接电类型	其他	充电中
未在充电	-	未充电

2.5 最终提供的数据

{
  "battery_level": 76,
  "charging": true,
  "charge_source": "USB 充电中"
}

字段	类型	含义
battery_level	integer 或 null	0 到 100 的电量百分比
charging	boolean	当前实现中表示正在充电或已经充满
charge_source	string 或 null	USB、适配器、无线或未充电

2.6 其他可选电池接口

Android 还提供：

BatteryManager batteryManager =
        (BatteryManager) context.getSystemService(Context.BATTERY_SERVICE);

int capacity = batteryManager.getIntProperty(
        BatteryManager.BATTERY_PROPERTY_CAPACITY
);

该接口通常直接返回 0 到 100 的百分比，但不能完整替代电池广播，因为充电状态和电源来源仍需要其他字段。

3. 定位数据

3.1 调用的系统服务

LocationManager locationManager =
        (LocationManager) context.getSystemService(Context.LOCATION_SERVICE);

当前项目首先尝试读取最近一次位置：

List<String> providers = locationManager.getProviders(true);
Location location = locationManager.getLastKnownLocation(provider);

如果没有可用的最近位置，则请求新位置：

locationManager.requestLocationUpdates(
        LocationManager.NETWORK_PROVIDER,
        0L,
        0f,
        locationListener,
        Looper.getMainLooper()
);

同时也会尝试：

LocationManager.GPS_PROVIDER

3.2 定位来源

Provider	主要来源	特点
GPS_PROVIDER	卫星	室外精度通常较高，首次定位可能较慢，耗电较高
NETWORK_PROVIDER	Wi-Fi、基站和系统网络定位	返回较快，室内可能可用，但精度通常低于 GPS

minTime=0 和 minDistance=0 表示应用希望接收所有可用更新，但实际频率仍由系统、硬件和节电策略决定。

3.3 Location 能提供的真实数据

系统函数	返回类型	含义	当前是否上报
getLatitude()	double	纬度，单位为度	是
getLongitude()	double	经度，单位为度	是
getAccuracy()	float	水平精度估计，单位为米	否
getTime()	long	该位置的 UTC 时间戳，毫秒	否
getElapsedRealtimeNanos()	long	从设备启动以来的位置时间	否
getAltitude()	double	海拔，单位为米	否
getSpeed()	float	速度，单位为米/秒	否，本功能文档不涉及运动识别
getBearing()	float	运动方向角，单位为度	否
getProvider()	String	位置提供者名称	否

3.4 当前应用保存的数据

{
  "latitude": 31.187164,
  "longitude": 121.605015
}

当前没有保存或上传：

• 定位精度 accuracy。
• 定位数据自身的时间。
• Provider 名称。
• 海拔和方向。

3.5 最近位置选择规则

当前代码遍历所有已启用 Provider 的 getLastKnownLocation()，选择 Location.getTime() 最大的一条，也就是系统报告时间最新的位置。

当前没有限制该位置的最大年龄，因此最新的一条仍有可能是几分钟甚至更久之前的位置。

3.6 新位置等待和失败条件

• 无最近位置时，请求 Network 和 GPS 更新。
• 收到第一条新位置后立即停止本次天气定位监听。
• 最长等待约 12 秒。
• 12 秒内没有位置则返回“定位超时”。
• 系统定位服务关闭时返回“请打开系统定位服务”。
• 权限不可用时返回“定位权限不可用”。

3.7 权限

<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_COARSE_LOCATION" />
<uses-permission android:name="android.permission.ACCESS_FINE_LOCATION" />

Android 12 及以上用户可能只授予模糊位置，此时应用仍可收到位置，但经纬度精度会降低。

当前项目没有申请后台定位权限，因此定位只在应用前台、用户主动采集天气时使用。

3.8 数据质量限制

• getLastKnownLocation() 不保证是刚刚产生的数据。
• 室内、地下、隧道或弱卫星环境可能没有 GPS 定位。
• Network Provider 精度受到 Wi-Fi 和基站环境影响。
• 当前未上报 accuracy，后端无法直接判断位置可信范围。

建议后续增加：

{
  "location_accuracy_m": 18.4,
  "location_provider": "gps",
  "location_captured_at": "2026-08-03T16:45:00+08:00"
}

4. 天气与温度

4.1 数据来源说明

Android 系统本身没有通用的“当前天气”接口。当前项目使用 Android 定位获得经纬度，然后调用 Open-Meteo。

因此：

• 经纬度来自 Android 系统定位。
• 天气和温度来自 Open-Meteo 气象服务。
• 温度不是手机硬件温度传感器的读数。

4.2 Open-Meteo 请求

当前请求格式：

GET https://api.open-meteo.com/v1/forecast
    ?latitude=31.18716
    &longitude=121.60502
    &current=temperature_2m,apparent_temperature,weather_code
    &timezone=auto
    &forecast_days=1

客户端设置：

connection.setConnectTimeout(10_000);
connection.setReadTimeout(10_000);
connection.setRequestProperty("Accept", "application/json");
connection.setRequestProperty("User-Agent", "DevicePulse/1.0");

Open-Meteo 不需要当前项目配置 API Key。

4.3 外部接口真实返回示例

Open-Meteo 返回内容包含大量字段，当前项目只读取 current 中的三个值：

{
  "current": {
    "time": "2026-08-03T16:45",
    "interval": 900,
    "temperature_2m": 34.7,
    "apparent_temperature": 37.0,
    "weather_code": 3
  }
}

Open-Meteo 字段	类型	含义	当前是否保存
temperature_2m	double	距地面约 2 米处的气温，单位通常为摄氏度	是
apparent_temperature	double	根据温度、湿度、风等因素计算的体感温度	是
weather_code	integer	WMO 天气代码	转换成中文后保存
time	string	天气数据对应时间	否
interval	integer	当前数据时间区间，单位秒	否

4.4 天气代码转换

当前项目采用以下映射：

WMO 代码	应用文字
0	晴朗
1、2	少云
3	阴天
45、48	雾
51 到 57	毛毛雨
61 到 67	下雨
71 到 77	下雪
80 到 82	阵雨
85、86	阵雪
95 及以上	雷雨
其他未匹配值	多变天气

4.5 地点名称解析

项目使用 Android Geocoder 将经纬度转换为城市或行政区名称：

Geocoder geocoder = new Geocoder(
        context,
        Locale.SIMPLIFIED_CHINESE
);

List<Address> addresses = geocoder.getFromLocation(
        latitude,
        longitude,
        1
);

应用按以下优先级选择地点：

1. Address.getLocality()：城市。
2. Address.getSubAdminArea()：次级行政区。
3. Address.getAdminArea()：省、州或一级行政区。
4. 均不可用时使用保留两位小数的经纬度文本。

例如：

上海市

或回退为：

31.19, 121.61

4.6 最终提供的数据

{
  "weather_condition": "阴天",
  "temperature_c": 34.7,
  "apparent_temperature_c": 37.0,
  "weather_place": "上海市",
  "latitude": 31.187164,
  "longitude": 121.605015
}

4.7 数据含义和限制

• temperature_c 是气象模型的 2 米高度气温，不是手机附近空气的直接测量值。
• apparent_temperature_c 是模型计算结果，不是人体传感器测量值。
• 天气精度受定位精度和 Open-Meteo 网格分辨率影响。
• Geocoder 在部分设备或网络环境中可能不可用，此时只显示坐标。
• 当前未保存 Open-Meteo 返回的天气数据时间，无法直接判断天气数据本身的年龄。
• 无网络、服务超时或非 2xx HTTP 响应时，本次天气采集失败，并保留上一次成功结果。

5. 环境噪声

5.1 调用的系统接口

当前项目使用 Android AudioRecord 读取麦克风原始 PCM 数据。

先查询设备支持的最小缓冲区：

int minimumBuffer = AudioRecord.getMinBufferSize(
        44_100,
        AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO,
        AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT
);

然后创建录音对象：

AudioRecord recorder = new AudioRecord(
        MediaRecorder.AudioSource.MIC,
        44_100,
        AudioFormat.CHANNEL_IN_MONO,
        AudioFormat.ENCODING_PCM_16BIT,
        bufferSize
);

5.2 采样参数

参数	当前值	含义
音源	MediaRecorder.AudioSource.MIC	设备主麦克风输入
采样率	44,100 Hz	每秒最多 44,100 个采样点
声道	CHANNEL_IN_MONO	单声道
编码	ENCODING_PCM_16BIT	16 位有符号 PCM
最小缓冲区	AudioRecord.getMinBufferSize()	系统报告的最小可用字节数
实际缓冲区	max(minimumBuffer, 4096)	至少 4,096 字节
单次采样时长	约 2.2 秒	按钮采样窗口

5.3 系统真实返回值

short[] samples = new short[bufferSize / 2];
int count = recorder.read(samples, 0, samples.length);

AudioRecord.read() 返回本次成功写入数组的采样数量 count。

每个 short 是 16 位 PCM 振幅，理论范围约为：

-32768 到 32767

这些数值不是分贝，也不是声音文件，而是麦克风 ADC 和系统音频链路输出的相对数字振幅。

5.4 dBFS 计算

应用先将每个采样归一化：

normalized = sample / 32768.0

然后计算均方根：

RMS = sqrt(sum(normalized * normalized) / count)

最后计算数字满量程分贝：

dBFS = 20 * log10(RMS)

当 RMS 为 0 时使用最低值 -90 dBFS，最终结果限制在：

-90 dBFS 到 0 dBFS

解释：

• 0 dBFS 表示数字信号达到满量程附近。
• 越接近 -90 dBFS 表示数字振幅越低。
• dBFS 通常为负数。

5.5 平滑处理

为减少单次读数跳动，当前使用指数平滑：

smoothed = previous * 0.72 + current * 0.28

采样线程约每 240 毫秒向上层提供一次平滑结果。按钮采样约 2.2 秒，最终保存最近一次有效平滑值。

5.6 噪声等级

dBFS 范围	应用等级
< -60.0	安静
>= -60.0 且 < -38.0	一般
>= -38.0	嘈杂

5.7 最终提供的数据

{
  "noise_dbfs": -43.8,
  "noise_level": "一般"
}

5.8 dBFS 与真实环境分贝的区别

noise_dbfs 不是专业声级计中的 dB SPL 或 dB(A)。

指标	含义	是否需要校准
dBFS	数字音频相对于满量程的幅度	不需要，但不同设备不可直接比较
dB SPL	物理声压级	需要校准麦克风
dB(A)	经过 A 计权的人耳感知声级	需要校准和频率加权

同一个环境在不同手机上可能产生不同 dBFS，原因包括：

• 麦克风灵敏度不同。
• 自动增益控制不同。
• 厂商音频处理不同。
• 手机外壳、麦克风位置和遮挡不同。
• 系统可能进行降噪、限幅或回声处理。

因此当前值适合：

• 判断同一台设备上环境相对变响或变安静。
• 做粗略的安静、一般、嘈杂分级。

不适合：

• 作为法律、职业健康或工程测量依据。
• 直接比较不同型号手机的绝对噪声值。

5.9 权限和隐私

需要运行时权限：

<uses-permission android:name="android.permission.RECORD_AUDIO" />

当前实现：

• 不创建音频文件。
• 不保存 PCM 数组。
• 不向后端上传录音内容。
• 只上传计算后的 noise_dbfs 和 noise_level。

5.10 当前实现注意事项

• 麦克风被其他应用占用时可能初始化失败。
• 设备不支持 44.1 kHz、单声道、16 位 PCM 组合时会返回格式不支持。
• 当前 lastNoise 在新一轮采样开始时没有主动重置；极端情况下，如果本轮没有产生新读数，可能复用上一轮值。更严格的实现应在每次采样开始时重置为 Double.NaN。

6. 设备标识和时间

6.1 设备 ID

String deviceId = Settings.Secure.getString(
        context.getContentResolver(),
        Settings.Secure.ANDROID_ID
);

ANDROID_ID 返回字符串标识，例如：

0ede23a41dd64933

它不是硬件序列号。现代 Android 中通常与设备、用户和应用签名范围相关，以下情况可能发生变化：

• 恢复出厂设置。
• 更换 Android 用户或工作资料。
• 某些系统升级或厂商实现差异。
• 应用签名发生变化。

6.2 设备名称

String deviceName = Build.MANUFACTURER + " " + Build.MODEL;

例如：

Xiaomi 23127PN0CC

其中：

• Build.MANUFACTURER 是厂商标识。
• Build.MODEL 是系统提供的型号字符串。

这两个值可以被厂商定制，不保证是面向消费者的正式产品名称。

6.3 客户端采集时间

new SimpleDateFormat(
        "yyyy-MM-dd'T'HH:mm:ssXXX",
        Locale.US
).format(new Date());

示例：

2026-08-03T16:46:06+08:00

该时间来自手机系统时钟，并包含时区偏移。

6.4 服务端接收时间

后端收到数据时生成：

2026-08-03T08:46:07+00:00

该值保存为 received_at，使用 UTC。

两个时间的区别：

字段	产生位置	用途
captured_at	Android 客户端	表示客户端生成快照的时间
received_at	Python 后端	表示后端真正收到数据的时间

如果手机系统时间不准确，captured_at 也会不准确；received_at 可以辅助发现客户端时间漂移或网络延迟。