大数据时代与嵌入式系统

何立民

（北京航空航天大学，北京100191）

引 言

进入物联网时代后，嵌入式系统便从独立发展时代进入智能化服务的大科技时代。在物联网应用中，嵌入式系统承担了底层的物理信息采集任务，将物联网的人文数据时代，推进到包括海量物理数据的大数据时代。在大数据时代，嵌入式系统告别了独立的产品发展阶段，进入到大数据的社会服务时代。

1 什么是大数据？

1.1 大数据时代的诞生

互联网诞生以后，出现了一个全球化的、以人文信息为主体的海量数据体系。当嵌入式系统将互联网延伸到物理世界后，增加了真实世界中实时的、海量的物理参数与物理状的数据。海量的人文数据与海量的物理数据，构成了物联网世界中真实世界与虚拟世界完整的数据群。其数据的超大规模，以及数据可怕的增殖速度，人们只好用一个最简约的名词——“大数据”来形容它。

据统计2008年全球数据量为0.49ZB，2009年为0.8 ZB，2010年为1.2ZB，2011年为1.8ZB，相当于全球每人产生200GB以上的数据。相比之下，2012年底人类生产的所有印刷材料数据为200PB（0.000 2ZB），人类历史上说过的话语数据总和为5EB（0.005ZB）①KB（千字节，103），MB（兆字节，106），GB（吉字节，109），TB（太字节，1012），PB（拍字节，1015），EB（艾字节，1018），ZB（泽字节，1021），YB（尧字节，1024）……。可以看出，如今整个人类文明所获得的全部数据，绝大部分产生于物联网，而且有90%是过去两年内产生的。到了2020年，全世界所产生的数据规模将达到今天的44倍。

1.2 大数据中的数据特性

大数据除了继承互联网数据的数字化、全球化特征外，还带有诸多物联网的新特征，如超海量、实时性与大信息等。这些数据特征引发了数据处理的革命。

①数字化，是指大数据中的数据，都是“0”、“1”状态的量子化符号的数字体系，具有可无限传播、变换、存储、转移、处理的能力，可以实现无损耗、无差误的操作。具有这种量子化符号的数字体系，保证了大数据l转移中的可靠性。

②全球化，是指大数据具有无限时空、无限通达的互联网寄生环境，包括全球化的计算机网、电信网、电视网与智能电网的独立寄生环境。全球化无限时空性质的大数据，形成了人人可无限共享的知识平台与智力平台。

③超海量，是指数字化时代，人类社会信息数字归一化后，在网络平台上的海量集合。互联网海量的人文数据与物联网追加的海量物理数据，形成了完整的超海量信息数据。

④实时性，是指大数据中的物理数据都是真实事物物理状态实时更新的数据。嵌入式系统以各种方式实时地采集事物的物理状态，满足了大数据应用中的实时性要求。例如，全球气象数据的动态更新与天气的实时处理与预报。

⑤泛信息，是指大数据信息的全息性、冗余性、混杂性与无限扩展性等特征。大数据中涵盖了人文、物理，虚拟世界、真实世界中形形色色的信息内容，通过不断地信息挖掘，可实现不同层次的应用；大数据中的鱼龙混杂现象，导致大数据应用中出现虚假、冗余、价值密度低的数据现象。

1.3 大数据的数据应用革命

小数据时代，人类在事物的有限数据基础上，建立起一整套数据分析、处理方法，从有限数据信息中了解相对完整的事物面貌。大数据时代，无限扩展的数据使事物从模糊到清晰，只要将足够多的数据集合起来，便可展现出事物的原貌。以一个大型建筑的描述为例：在有限的几个观察者提供模糊数据后，有经验的建筑师可以描绘出该建筑的近似形象；用不同视角的几张二维图片数据，经过计算机拼接算法，得出相对准确的三维建筑图像；如果在建筑物的每个细微之处都能采集到该点的空间数据，只要将这些数据“粘贴”起来，就能形成该建筑较为准确的图像。这是一种大数据的量子化信息的合成技术。众多学者都一致认为：数据洪流会使传统科学方法变得过时，没有模型与假设就可以分析数据，海量数据使统计科学变得时髦。

2 大数据与嵌入式系统

从单片机时代开始，30多年来，嵌入式系统从单机物联、分布式物联、总线物联到互联网的普遍接入，最终完成了物理世界与互联网的融合，将互联网带入到物联网的大数据时代。在大数据时代，嵌入式系统将进入到产品与技术的数据服务时代。

2.1 嵌入式系统的变迁

从20世纪70年代单片机诞生以来，嵌入式系统经历了单片机时代、嵌入式系统时代、物联网时代，如今又进入大数据的智能化服务时代。

单片机时代，是传统电子系统智能化改造时代。嵌入式系统时代，在单片机的基础上出现了一些新兴的智能化工具，它们突破了传统电子系统领域，是智能化工具的创新时代，也是电子技术与计算机技术的交叉融合时代。物联网时代，是智能化工具网络化的发展时代。嵌入式系统的网络接入手段与网络集群能力，将互联网变革到物联网，使物联网进入到一个大科技的发展时代。

大数据时代，是嵌入式系统从独立的智能化产品开发时代，转入到嵌入式系统智能化服务的时代。这时嵌入式系统已进入平台模式的后技术发展时代，硬件平台基础上的软件服务将上升为主要矛盾；技术整合也成为大数据时代嵌入式系统智能化服务的主要手段。

2.2 嵌入式系统与大数据

大数据中所有与物理对象相关的数据，都是通过形形色色的嵌入式系统智能化工具采集而来的；智能化工具具有对物理实时采集与数据的实时处理能力，从而保证了大数据中物理数据的实时性；物质世界中大多数物理数据都是模拟量数据，嵌入式系统可以实现模拟量数据到数字量数据的转换，使这部分物理数据也能进入大数据领域；智能化工具的智力釆集方式，可以随时随地在数据釆集中拓展数据中的信息量。真实的大量模拟量在没有转化成数字量时，数据中的大量信息难以应用。当转化成数字量以后，可以通过各种信号处理手段，将保留在数字信号中的大量信息发掘出来。

3 嵌入式系统的数据服务时代

大数据时代，是一个以信息挖掘为中心的数据服务时代。嵌入式系统的数据采集、处理、智能化控制，以及后技术时代应用软件的技术转型，必将使嵌入式系统从产品、技术的独立发展时代，转变到大数据的服务时代。

3.1 产品与技术的服务支持

多年来，嵌入式系统一直引领智能化产品与技术的发展潮流，为智能化系统的社会服务打下了良好的基础。从传统电话到数字电话、手持电话、2G手机，再到3G时代的智能手机；从传统电表、数字电表到智能电表；从传统家用电器、数字家电、智能家电到智能家居；从汽车电器、汽车电子、汽车总线到智能化汽车电子系统等，莫不体现出嵌入式系统产品与技术的发展轨迹。形形色色的嵌入式系统的产品与技术，构成了广泛的知识平台，为大数据服务提供了良好的平台环境支持。未来，嵌入式系统更多地体现为产品与技术的整合服务。例如，在智能手机领域，嵌入式系统多年来的触摸屏技术、多核技术、网络接入技术、GPS技术、CCD／CMOS影像传感技术、传感器接入技术、DSP的数据处理技术，以及MCU的数据采集与智能化控制等领域技术，为智能手机产品与服务应用提供了一个良好的产品与技术服务平台。未来的大数据应用中，智能手机无疑会成为智能化社会生活中的核心设备与手段。

3.2 在信息智能电网中开辟新天地

目前，物联网的网络基础有计算机的互联网、电信网、广播电视网与智能电网。与传统的三网相比，智能电网有其特殊的优异性能，如有数据准入的可管理渠道、坚强的数据网络建设、点到点的可靠的有线网络体系，以及以行业行为为中心的应用模式等。未来，将以智能电网用户端电器广泛接入为契机，开创智能电网的大数据服务时代。智能电表普遍的家庭接入，有望结束长期以来智能家居只开花不结果的困顿局面。智能家居将以智能电表为先导，迅速延伸到所有家用电器，逐渐形成以信息智能电网为中心的智能家居服务体系。

3.3 关注半导体厂商的服务转型

嵌入式系统技术发展得益于半导体厂家的芯片技术与开发环境支持。从嵌入式系统发展史中，可以领会到半导体产业引领嵌入式系统技术的发展的基础性作用。随着嵌入式系统后技术时代的到来，以及大数据时代嵌入式系統的数据服务转型，半导体厂家会率先引领这一潮流。嵌入式系统业界应充分关注半导体厂家转型时期的技术动向，即后技术时代的软硬件平台化的技术整合与数据服务时代的综合化器件。例如，近期飞思卡尔推出的塔式模块化开发平台与TI公司陆续推出的软硬件集成化服务平台，均体现了转型时期半导体厂商的技术转型。这种技术转型为嵌入式系统的大数据服务提供了最有力的技术支持。

4 从电表变迁看大数据的服务应用

从电气化时代开始，就有了电气用户离散的电表计量数据。嵌入式系统诞生后，电表进入数字化计量时代。随着数字电表的升级换代与电表局域网的形成，有了小区自动抄表系统；当这些小区自动抄表系统与互联网相连，便进入电表用户的大数据时代。然而，当通过国家电网以智能电表方式形成归一化的智能电表网络时，电表数据才真正进入到大数据的社会服务时代。

4.1 从数字电表到智能电表

单片机基础上的数字电表，可衍生出形形色的抄表系统，如楼宇抄表、小区抄表、集群抄表、自动抄表等，随时采集用户的用电数据。然而，当国家电网通过智能电网的电力光纤、电力线载波通信方式，将数字化电表构建成一个统一的电表网络时，便形成了电力企业归一化的用户网络体系，并将数字电表升级成智能电表。数字电表与智能电表具有本质相同的结构体系（都是嵌入式应用系统）。从数字电表到智能电表，本质上并不是电表硬件体系的变革，而是软件基础上硬件体系的信息提升与功能挖掘。智能电表有了更多信息与智能化应用能力。

4.2 智能电表的数据变革

从机械式电表的离散数据，到数字电表的数字化集群数据，完成了模拟数据到数字化数据的变革；数字电表的网络接入，诞生了物联网时代电器用户的大数据体系。由于杂乱的抄表系统，上传数据的信息有限，以及非实时可靠的数据，难以形成用户电表的大数据应用。当国家电网实现归一化的智能电表网络体系后，通过国家电网实现统一的数据采集、集群、数据处理方式，保证了数据的统一、可靠与实时性要求。自上而下的数据管理，可以不断扩大数据的信息采集、信息处理、各种模式下的用电管理能力，以实现各种用电设备及用电系统的智能化监控系统。

4.3 智能电表的大数据应用前景

智能电网的坚强性（国家坚强电网的工程建设）、信息通道的可管理性（点到点的有线传输）、企业营利模式的单一性，使得未来国家智能电网智能电表工程的影响力，堪比智能手机时代的社会效应。随着智能电表走进千家万户，国家电网将会使家用电器纳入到最广泛的城市网络体系中，使智能家居走出目前的尴尬境地；双向、高速、实时的信息交互与末端用电设备的电力控制，将使智能电表走出单纯的收费时代，走上用电管理、统计、决策、调度，以及电器终端集中管控的时代。政府部分可通过智能电表的大数据了解城市用电负荷、区域用电负荷、城市住房信息（空置率／竣工率／动态居住信息等）。未来，智能电表有可能成为政府的公共信息平台、管控平台，以及家庭可靠的信息互动、家居管理智力平台。

结 语

嵌入式系统的普遍网络接入，将互联网变革到物联网；与此同时，将互联网虚拟世界海量的人文数据推进到真实世界与虚拟世界相互交融的大数据时代。信息大数据时代，嵌入式系统将走出产品与技术研发的独立领域，用产品与技术为社会服务。在这个转型时代，信息智能电网将给嵌入式系统带来巨大的机遇，信息智能电网智能化终端接入是嵌入式系统未来的重要发展舞台。国家电网推行的智能电表工程，将是嵌入式系统的最佳切入点。

［1] 黄河燕.大数据时代计算机专业研讨［J] .中国计算机学会通讯，2012（12）.

［2] 王卫忠.用于电力营销的互动化智能终端设计［J] .单片机与嵌入式系统应用，2013（5）.

［3] 何立民.IT时代的第三种文化产业机遇［J] .单片机与嵌入式系统应用，2013（5）.

［4] 刘云浩.群智感知计算［J] .中国计算机学会通讯，2012（10）.

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