大數據時代與嵌入式系統

何立民

（北京航空航天大學，北京100191）

引 言

進入物聯網時代后，嵌入式系統便從獨立發展時代進入智能化服務的大科技時代。在物聯網應用中，嵌入式系統承擔了底層的物理信息采集任務，將物聯網的人文數據時代，推進到包括海量物理數據的大數據時代。在大數據時代，嵌入式系統告別了獨立的產品發展階段，進入到大數據的社會服務時代。

1 什么是大數據？

1.1 大數據時代的誕生

互聯網誕生以后，出現了一個全球化的、以人文信息為主體的海量數據體系。當嵌入式系統將互聯網延伸到物理世界后，增加了真實世界中實時的、海量的物理參數與物理狀的數據。海量的人文數據與海量的物理數據，構成了物聯網世界中真實世界與虛擬世界完整的數據群。其數據的超大規模，以及數據可怕的增殖速度，人們只好用一個最簡約的名詞——“大數據”來形容它。

據統計2008年全球數據量為0.49ZB，2009年為0.8 ZB，2010年為1.2ZB，2011年為1.8ZB，相當于全球每人產生200GB以上的數據。相比之下，2012年底人類生產的所有印刷材料數據為200PB（0.000 2ZB），人類歷史上說過的話語數據總和為5EB（0.005ZB）①KB（千字節，103），MB（兆字節，106），GB（吉字節，109），TB（太字節，1012），PB（拍字節，1015），EB（艾字節，1018），ZB（澤字節，1021），YB（堯字節，1024）……。可以看出，如今整個人類文明所獲得的全部數據，絕大部分產生于物聯網，而且有90%是過去兩年內產生的。到了2020年，全世界所產生的數據規模將達到今天的44倍。

1.2 大數據中的數據特性

大數據除了繼承互聯網數據的數字化、全球化特征外，還帶有諸多物聯網的新特征，如超海量、實時性與大信息等。這些數據特征引發了數據處理的革命。

①數字化，是指大數據中的數據，都是“0”、“1”狀態的量子化符號的數字體系，具有可無限傳播、變換、存儲、轉移、處理的能力，可以實現無損耗、無差誤的操作。具有這種量子化符號的數字體系，保證了大數據l轉移中的可靠性。

②全球化，是指大數據具有無限時空、無限通達的互聯網寄生環境，包括全球化的計算機網、電信網、電視網與智能電網的獨立寄生環境。全球化無限時空性質的大數據，形成了人人可無限共享的知識平臺與智力平臺。

③超海量，是指數字化時代，人類社會信息數字歸一化后，在網絡平臺上的海量集合。互聯網海量的人文數據與物聯網追加的海量物理數據，形成了完整的超海量信息數據。

④實時性，是指大數據中的物理數據都是真實事物物理狀態實時更新的數據。嵌入式系統以各種方式實時地采集事物的物理狀態，滿足了大數據應用中的實時性要求。例如，全球氣象數據的動態更新與天氣的實時處理與預報。

⑤泛信息，是指大數據信息的全息性、冗余性、混雜性與無限擴展性等特征。大數據中涵蓋了人文、物理，虛擬世界、真實世界中形形色色的信息內容，通過不斷地信息挖掘，可實現不同層次的應用；大數據中的魚龍混雜現象，導致大數據應用中出現虛假、冗余、價值密度低的數據現象。

1.3 大數據的數據應用革命

小數據時代，人類在事物的有限數據基礎上，建立起一整套數據分析、處理方法，從有限數據信息中了解相對完整的事物面貌。大數據時代，無限擴展的數據使事物從模糊到清晰，只要將足夠多的數據集合起來，便可展現出事物的原貌。以一個大型建筑的描述為例：在有限的幾個觀察者提供模糊數據后，有經驗的建筑師可以描繪出該建筑的近似形象；用不同視角的幾張二維圖片數據，經過計算機拼接算法，得出相對準確的三維建筑圖像；如果在建筑物的每個細微之處都能采集到該點的空間數據，只要將這些數據“粘貼”起來，就能形成該建筑較為準確的圖像。這是一種大數據的量子化信息的合成技術。眾多學者都一致認為：數據洪流會使傳統科學方法變得過時，沒有模型與假設就可以分析數據，海量數據使統計科學變得時髦。

2 大數據與嵌入式系統

從單片機時代開始，30多年來，嵌入式系統從單機物聯、分布式物聯、總線物聯到互聯網的普遍接入，最終完成了物理世界與互聯網的融合，將互聯網帶入到物聯網的大數據時代。在大數據時代，嵌入式系統將進入到產品與技術的數據服務時代。

2.1 嵌入式系統的變遷

從20世紀70年代單片機誕生以來，嵌入式系統經歷了單片機時代、嵌入式系統時代、物聯網時代，如今又進入大數據的智能化服務時代。

單片機時代，是傳統電子系統智能化改造時代。嵌入式系統時代，在單片機的基礎上出現了一些新興的智能化工具，它們突破了傳統電子系統領域，是智能化工具的創新時代，也是電子技術與計算機技術的交叉融合時代。物聯網時代，是智能化工具網絡化的發展時代。嵌入式系統的網絡接入手段與網絡集群能力，將互聯網變革到物聯網，使物聯網進入到一個大科技的發展時代。

大數據時代，是嵌入式系統從獨立的智能化產品開發時代，轉入到嵌入式系統智能化服務的時代。這時嵌入式系統已進入平臺模式的后技術發展時代，硬件平臺基礎上的軟件服務將上升為主要矛盾；技術整合也成為大數據時代嵌入式系統智能化服務的主要手段。

2.2 嵌入式系統與大數據

大數據中所有與物理對象相關的數據，都是通過形形色色的嵌入式系統智能化工具采集而來的；智能化工具具有對物理實時采集與數據的實時處理能力，從而保證了大數據中物理數據的實時性；物質世界中大多數物理數據都是模擬量數據，嵌入式系統可以實現模擬量數據到數字量數據的轉換，使這部分物理數據也能進入大數據領域；智能化工具的智力釆集方式，可以隨時隨地在數據釆集中拓展數據中的信息量。真實的大量模擬量在沒有轉化成數字量時，數據中的大量信息難以應用。當轉化成數字量以后，可以通過各種信號處理手段，將保留在數字信號中的大量信息發掘出來。

3 嵌入式系統的數據服務時代

大數據時代，是一個以信息挖掘為中心的數據服務時代。嵌入式系統的數據采集、處理、智能化控制，以及后技術時代應用軟件的技術轉型，必將使嵌入式系統從產品、技術的獨立發展時代，轉變到大數據的服務時代。

3.1 產品與技術的服務支持

多年來，嵌入式系統一直引領智能化產品與技術的發展潮流，為智能化系統的社會服務打下了良好的基礎。從傳統電話到數字電話、手持電話、2G手機，再到3G時代的智能手機；從傳統電表、數字電表到智能電表；從傳統家用電器、數字家電、智能家電到智能家居；從汽車電器、汽車電子、汽車總線到智能化汽車電子系統等，莫不體現出嵌入式系統產品與技術的發展軌跡。形形色色的嵌入式系統的產品與技術，構成了廣泛的知識平臺，為大數據服務提供了良好的平臺環境支持。未來，嵌入式系統更多地體現為產品與技術的整合服務。例如，在智能手機領域，嵌入式系統多年來的觸摸屏技術、多核技術、網絡接入技術、GPS技術、CCD／CMOS影像傳感技術、傳感器接入技術、DSP的數據處理技術，以及MCU的數據采集與智能化控制等領域技術，為智能手機產品與服務應用提供了一個良好的產品與技術服務平臺。未來的大數據應用中，智能手機無疑會成為智能化社會生活中的核心設備與手段。

3.2 在信息智能電網中開辟新天地

目前，物聯網的網絡基礎有計算機的互聯網、電信網、廣播電視網與智能電網。與傳統的三網相比，智能電網有其特殊的優異性能，如有數據準入的可管理渠道、堅強的數據網絡建設、點到點的可靠的有線網絡體系，以及以行業行為為中心的應用模式等。未來，將以智能電網用戶端電器廣泛接入為契機，開創智能電網的大數據服務時代。智能電表普遍的家庭接入，有望結束長期以來智能家居只開花不結果的困頓局面。智能家居將以智能電表為先導，迅速延伸到所有家用電器，逐漸形成以信息智能電網為中心的智能家居服務體系。

3.3 關注半導體廠商的服務轉型

嵌入式系統技術發展得益于半導體廠家的芯片技術與開發環境支持。從嵌入式系統發展史中，可以領會到半導體產業引領嵌入式系統技術的發展的基礎性作用。隨著嵌入式系統后技術時代的到來，以及大數據時代嵌入式系統的數據服務轉型，半導體廠家會率先引領這一潮流。嵌入式系統業界應充分關注半導體廠家轉型時期的技術動向，即后技術時代的軟硬件平臺化的技術整合與數據服務時代的綜合化器件。例如，近期飛思卡爾推出的塔式模塊化開發平臺與TI公司陸續推出的軟硬件集成化服務平臺，均體現了轉型時期半導體廠商的技術轉型。這種技術轉型為嵌入式系統的大數據服務提供了最有力的技術支持。

4 從電表變遷看大數據的服務應用

從電氣化時代開始，就有了電氣用戶離散的電表計量數據。嵌入式系統誕生后，電表進入數字化計量時代。隨著數字電表的升級換代與電表局域網的形成，有了小區自動抄表系統；當這些小區自動抄表系統與互聯網相連，便進入電表用戶的大數據時代。然而，當通過國家電網以智能電表方式形成歸一化的智能電表網絡時，電表數據才真正進入到大數據的社會服務時代。

4.1 從數字電表到智能電表

單片機基礎上的數字電表，可衍生出形形色的抄表系統，如樓宇抄表、小區抄表、集群抄表、自動抄表等，隨時采集用戶的用電數據。然而，當國家電網通過智能電網的電力光纖、電力線載波通信方式，將數字化電表構建成一個統一的電表網絡時，便形成了電力企業歸一化的用戶網絡體系，并將數字電表升級成智能電表。數字電表與智能電表具有本質相同的結構體系（都是嵌入式應用系統）。從數字電表到智能電表，本質上并不是電表硬件體系的變革，而是軟件基礎上硬件體系的信息提升與功能挖掘。智能電表有了更多信息與智能化應用能力。

4.2 智能電表的數據變革

從機械式電表的離散數據，到數字電表的數字化集群數據，完成了模擬數據到數字化數據的變革；數字電表的網絡接入，誕生了物聯網時代電器用戶的大數據體系。由于雜亂的抄表系統，上傳數據的信息有限，以及非實時可靠的數據，難以形成用戶電表的大數據應用。當國家電網實現歸一化的智能電表網絡體系后，通過國家電網實現統一的數據采集、集群、數據處理方式，保證了數據的統一、可靠與實時性要求。自上而下的數據管理，可以不斷擴大數據的信息采集、信息處理、各種模式下的用電管理能力，以實現各種用電設備及用電系統的智能化監控系統。

4.3 智能電表的大數據應用前景

智能電網的堅強性（國家堅強電網的工程建設）、信息通道的可管理性（點到點的有線傳輸）、企業營利模式的單一性，使得未來國家智能電網智能電表工程的影響力，堪比智能手機時代的社會效應。隨著智能電表走進千家萬戶，國家電網將會使家用電器納入到最廣泛的城市網絡體系中，使智能家居走出目前的尷尬境地；雙向、高速、實時的信息交互與末端用電設備的電力控制，將使智能電表走出單純的收費時代，走上用電管理、統計、決策、調度，以及電器終端集中管控的時代。政府部分可通過智能電表的大數據了解城市用電負荷、區域用電負荷、城市住房信息（空置率／竣工率／動態居住信息等）。未來，智能電表有可能成為政府的公共信息平臺、管控平臺，以及家庭可靠的信息互動、家居管理智力平臺。

結 語

嵌入式系統的普遍網絡接入，將互聯網變革到物聯網；與此同時，將互聯網虛擬世界海量的人文數據推進到真實世界與虛擬世界相互交融的大數據時代。信息大數據時代，嵌入式系統將走出產品與技術研發的獨立領域，用產品與技術為社會服務。在這個轉型時代，信息智能電網將給嵌入式系統帶來巨大的機遇，信息智能電網智能化終端接入是嵌入式系統未來的重要發展舞臺。國家電網推行的智能電表工程，將是嵌入式系統的最佳切入點。

［1] 黃河燕.大數據時代計算機專業研討［J] .中國計算機學會通訊，2012（12）.

［2] 王衛忠.用于電力營銷的互動化智能終端設計［J] .單片機與嵌入式系統應用，2013（5）.

［3] 何立民.IT時代的第三種文化產業機遇［J] .單片機與嵌入式系統應用，2013（5）.

［4] 劉云浩.群智感知計算［J] .中國計算機學會通訊，2012（10）.

［5] CCF大數據專家委員會.大數據熱點問題與2013年發展趨勢分析［J] .中國計算機學會通訊，2012（12）.