大數(shù)據(jù)時(shí)代與嵌入式系統(tǒng)

何立民

（北京航空航天大學(xué)，北京100191）

引 言

進(jìn)入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代后，嵌入式系統(tǒng)便從獨(dú)立發(fā)展時(shí)代進(jìn)入智能化服務(wù)的大科技時(shí)代。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，嵌入式系統(tǒng)承擔(dān)了底層的物理信息采集任務(wù)，將物聯(lián)網(wǎng)的人文數(shù)據(jù)時(shí)代，推進(jìn)到包括海量物理數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)時(shí)代。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)告別了獨(dú)立的產(chǎn)品發(fā)展階段，進(jìn)入到大數(shù)據(jù)的社會(huì)服務(wù)時(shí)代。

1 什么是大數(shù)據(jù)？

1.1 大數(shù)據(jù)時(shí)代的誕生

互聯(lián)網(wǎng)誕生以后，出現(xiàn)了一個(gè)全球化的、以人文信息為主體的海量數(shù)據(jù)體系。當(dāng)嵌入式系統(tǒng)將互聯(lián)網(wǎng)延伸到物理世界后，增加了真實(shí)世界中實(shí)時(shí)的、海量的物理參數(shù)與物理狀的數(shù)據(jù)。海量的人文數(shù)據(jù)與海量的物理數(shù)據(jù)，構(gòu)成了物聯(lián)網(wǎng)世界中真實(shí)世界與虛擬世界完整的數(shù)據(jù)群。其數(shù)據(jù)的超大規(guī)模，以及數(shù)據(jù)可怕的增殖速度，人們只好用一個(gè)最簡(jiǎn)約的名詞——“大數(shù)據(jù)”來(lái)形容它。

據(jù)統(tǒng)計(jì)2008年全球數(shù)據(jù)量為0.49ZB，2009年為0.8 ZB，2010年為1.2ZB，2011年為1.8ZB，相當(dāng)于全球每人產(chǎn)生200GB以上的數(shù)據(jù)。相比之下，2012年底人類生產(chǎn)的所有印刷材料數(shù)據(jù)為200PB（0.000 2ZB），人類歷史上說(shuō)過(guò)的話語(yǔ)數(shù)據(jù)總和為5EB（0.005ZB）①KB（千字節(jié)，103），MB（兆字節(jié)，106），GB（吉字節(jié)，109），TB（太字節(jié)，1012），PB（拍字節(jié)，1015），EB（艾字節(jié)，1018），ZB（澤字節(jié)，1021），YB（堯字節(jié)，1024）……?？梢钥闯?，如今整個(gè)人類文明所獲得的全部數(shù)據(jù)，絕大部分產(chǎn)生于物聯(lián)網(wǎng)，而且有90%是過(guò)去兩年內(nèi)產(chǎn)生的。到了2020年，全世界所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)規(guī)模將達(dá)到今天的44倍。

1.2 大數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)特性

大數(shù)據(jù)除了繼承互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)字化、全球化特征外，還帶有諸多物聯(lián)網(wǎng)的新特征，如超海量、實(shí)時(shí)性與大信息等。這些數(shù)據(jù)特征引發(fā)了數(shù)據(jù)處理的革命。

①數(shù)字化，是指大數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)，都是“0”、“1”狀態(tài)的量子化符號(hào)的數(shù)字體系，具有可無(wú)限傳播、變換、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移、處理的能力，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損耗、無(wú)差誤的操作。具有這種量子化符號(hào)的數(shù)字體系，保證了大數(shù)據(jù)l轉(zhuǎn)移中的可靠性。

②全球化，是指大數(shù)據(jù)具有無(wú)限時(shí)空、無(wú)限通達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)寄生環(huán)境，包括全球化的計(jì)算機(jī)網(wǎng)、電信網(wǎng)、電視網(wǎng)與智能電網(wǎng)的獨(dú)立寄生環(huán)境。全球化無(wú)限時(shí)空性質(zhì)的大數(shù)據(jù)，形成了人人可無(wú)限共享的知識(shí)平臺(tái)與智力平臺(tái)。

③超海量，是指數(shù)字化時(shí)代，人類社會(huì)信息數(shù)字歸一化后，在網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的海量集合?；ヂ?lián)網(wǎng)海量的人文數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)追加的海量物理數(shù)據(jù)，形成了完整的超海量信息數(shù)據(jù)。

④實(shí)時(shí)性，是指大數(shù)據(jù)中的物理數(shù)據(jù)都是真實(shí)事物物理狀態(tài)實(shí)時(shí)更新的數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)以各種方式實(shí)時(shí)地采集事物的物理狀態(tài)，滿足了大數(shù)據(jù)應(yīng)用中的實(shí)時(shí)性要求。例如，全球氣象數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新與天氣的實(shí)時(shí)處理與預(yù)報(bào)。

⑤泛信息，是指大數(shù)據(jù)信息的全息性、冗余性、混雜性與無(wú)限擴(kuò)展性等特征。大數(shù)據(jù)中涵蓋了人文、物理，虛擬世界、真實(shí)世界中形形色色的信息內(nèi)容，通過(guò)不斷地信息挖掘，可實(shí)現(xiàn)不同層次的應(yīng)用；大數(shù)據(jù)中的魚龍混雜現(xiàn)象，導(dǎo)致大數(shù)據(jù)應(yīng)用中出現(xiàn)虛假、冗余、價(jià)值密度低的數(shù)據(jù)現(xiàn)象。

1.3 大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)應(yīng)用革命

小數(shù)據(jù)時(shí)代，人類在事物的有限數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立起一整套數(shù)據(jù)分析、處理方法，從有限數(shù)據(jù)信息中了解相對(duì)完整的事物面貌。大數(shù)據(jù)時(shí)代，無(wú)限擴(kuò)展的數(shù)據(jù)使事物從模糊到清晰，只要將足夠多的數(shù)據(jù)集合起來(lái)，便可展現(xiàn)出事物的原貌。以一個(gè)大型建筑的描述為例：在有限的幾個(gè)觀察者提供模糊數(shù)據(jù)后，有經(jīng)驗(yàn)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(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)拼接算法，得出相對(duì)準(zhǔn)確的三維建筑圖像；如果在建筑物的每個(gè)細(xì)微之處都能采集到該點(diǎn)的空間數(shù)據(jù)，只要將這些數(shù)據(jù)“粘貼”起來(lái)，就能形成該建筑較為準(zhǔn)確的圖像。這是一種大數(shù)據(jù)的量子化信息的合成技術(shù)。眾多學(xué)者都一致認(rèn)為：數(shù)據(jù)洪流會(huì)使傳統(tǒng)科學(xué)方法變得過(guò)時(shí)，沒(méi)有模型與假設(shè)就可以分析數(shù)據(jù)，海量數(shù)據(jù)使統(tǒng)計(jì)科學(xué)變得時(shí)髦。

2 大數(shù)據(jù)與嵌入式系統(tǒng)

從單片機(jī)時(shí)代開(kāi)始，30多年來(lái)，嵌入式系統(tǒng)從單機(jī)物聯(lián)、分布式物聯(lián)、總線物聯(lián)到互聯(lián)網(wǎng)的普遍接入，最終完成了物理世界與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將互聯(lián)網(wǎng)帶入到物聯(lián)網(wǎng)的大數(shù)據(jù)時(shí)代。在大數(shù)據(jù)時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)將進(jìn)入到產(chǎn)品與技術(shù)的數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)代。

2.1 嵌入式系統(tǒng)的變遷

從20世紀(jì)70年代單片機(jī)誕生以來(lái)，嵌入式系統(tǒng)經(jīng)歷了單片機(jī)時(shí)代、嵌入式系統(tǒng)時(shí)代、物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，如今又進(jìn)入大數(shù)據(jù)的智能化服務(wù)時(shí)代。

單片機(jī)時(shí)代，是傳統(tǒng)電子系統(tǒng)智能化改造時(shí)代。嵌入式系統(tǒng)時(shí)代，在單片機(jī)的基礎(chǔ)上出現(xiàn)了一些新興的智能化工具，它們突破了傳統(tǒng)電子系統(tǒng)領(lǐng)域，是智能化工具的創(chuàng)新時(shí)代，也是電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的交叉融合時(shí)代。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，是智能化工具網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展時(shí)代。嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接入手段與網(wǎng)絡(luò)集群能力，將互聯(lián)網(wǎng)變革到物聯(lián)網(wǎng)，使物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入到一個(gè)大科技的發(fā)展時(shí)代。

大數(shù)據(jù)時(shí)代，是嵌入式系統(tǒng)從獨(dú)立的智能化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)代，轉(zhuǎn)入到嵌入式系統(tǒng)智能化服務(wù)的時(shí)代。這時(shí)嵌入式系統(tǒng)已進(jìn)入平臺(tái)模式的后技術(shù)發(fā)展時(shí)代，硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上的軟件服務(wù)將上升為主要矛盾；技術(shù)整合也成為大數(shù)據(jù)時(shí)代嵌入式系統(tǒng)智能化服務(wù)的主要手段。

2.2 嵌入式系統(tǒng)與大數(shù)據(jù)

大數(shù)據(jù)中所有與物理對(duì)象相關(guān)的數(shù)據(jù)，都是通過(guò)形形色色的嵌入式系統(tǒng)智能化工具采集而來(lái)的；智能化工具具有對(duì)物理實(shí)時(shí)采集與數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理能力，從而保證了大數(shù)據(jù)中物理數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性；物質(zhì)世界中大多數(shù)物理數(shù)據(jù)都是模擬量數(shù)據(jù)，嵌入式系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)模擬量數(shù)據(jù)到數(shù)字量數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，使這部分物理數(shù)據(jù)也能進(jìn)入大數(shù)據(jù)領(lǐng)域；智能化工具的智力釆集方式，可以隨時(shí)隨地在數(shù)據(jù)釆集中拓展數(shù)據(jù)中的信息量。真實(shí)的大量模擬量在沒(méi)有轉(zhuǎn)化成數(shù)字量時(shí)，數(shù)據(jù)中的大量信息難以應(yīng)用。當(dāng)轉(zhuǎn)化成數(shù)字量以后，可以通過(guò)各種信號(hào)處理手段，將保留在數(shù)字信號(hào)中的大量信息發(fā)掘出來(lái)。

3 嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)代

大數(shù)據(jù)時(shí)代，是一個(gè)以信息挖掘?yàn)橹行牡臄?shù)據(jù)服務(wù)時(shí)代。嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理、智能化控制，以及后技術(shù)時(shí)代應(yīng)用軟件的技術(shù)轉(zhuǎn)型，必將使嵌入式系統(tǒng)從產(chǎn)品、技術(shù)的獨(dú)立發(fā)展時(shí)代，轉(zhuǎn)變到大數(shù)據(jù)的服務(wù)時(shí)代。

3.1 產(chǎn)品與技術(shù)的服務(wù)支持

多年來(lái)，嵌入式系統(tǒng)一直引領(lǐng)智能化產(chǎn)品與技術(shù)的發(fā)展潮流，為智能化系統(tǒng)的社會(huì)服務(wù)打下了良好的基礎(chǔ)。從傳統(tǒng)電話到數(shù)字電話、手持電話、2G手機(jī)，再到3G時(shí)代的智能手機(jī)；從傳統(tǒng)電表、數(shù)字電表到智能電表；從傳統(tǒng)家用電器、數(shù)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(tǒng)等，莫不體現(xiàn)出嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品與技術(shù)的發(fā)展軌跡。形形色色的嵌入式系統(tǒng)的產(chǎn)品與技術(shù)，構(gòu)成了廣泛的知識(shí)平臺(tái)，為大數(shù)據(jù)服務(wù)提供了良好的平臺(tái)環(huán)境支持。未來(lái)，嵌入式系統(tǒng)更多地體現(xiàn)為產(chǎn)品與技術(shù)的整合服務(wù)。例如，在智能手機(jī)領(lǐng)域，嵌入式系統(tǒng)多年來(lái)的觸摸屏技術(shù)、多核技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)、GPS技術(shù)、CCD／CMOS影像傳感技術(shù)、傳感器接入技術(shù)、DSP的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以及MCU的數(shù)據(jù)采集與智能化控制等領(lǐng)域技術(shù)，為智能手機(jī)產(chǎn)品與服務(wù)應(yīng)用提供了一個(gè)良好的產(chǎn)品與技術(shù)服務(wù)平臺(tái)。未來(lái)的大數(shù)據(jù)應(yīng)用中，智能手機(jī)無(wú)疑會(huì)成為智能化社會(huì)生活中的核心設(shè)備與手段。

3.2 在信息智能電網(wǎng)中開(kāi)辟新天地

目前，物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)有計(jì)算機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)與智能電網(wǎng)。與傳統(tǒng)的三網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)有其特殊的優(yōu)異性能，如有數(shù)據(jù)準(zhǔn)入的可管理渠道、堅(jiān)強(qiáng)的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、點(diǎn)到點(diǎn)的可靠的有線網(wǎng)絡(luò)體系，以及以行業(yè)行為為中心的應(yīng)用模式等。未來(lái)，將以智能電網(wǎng)用戶端電器廣泛接入為契機(jī)，開(kāi)創(chuàng)智能電網(wǎng)的大數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)代。智能電表普遍的家庭接入，有望結(jié)束長(zhǎng)期以來(lái)智能家居只開(kāi)花不結(jié)果的困頓局面。智能家居將以智能電表為先導(dǎo)，迅速延伸到所有家用電器，逐漸形成以信息智能電網(wǎng)為中心的智能家居服務(wù)體系。

3.3 關(guān)注半導(dǎo)體廠商的服務(wù)轉(zhuǎn)型

嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展得益于半導(dǎo)體廠家的芯片技術(shù)與開(kāi)發(fā)環(huán)境支持。從嵌入式系統(tǒng)發(fā)展史中，可以領(lǐng)會(huì)到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)引領(lǐng)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展的基礎(chǔ)性作用。隨著嵌入式系統(tǒng)后技術(shù)時(shí)代的到來(lái)，以及大數(shù)據(jù)時(shí)代嵌入式系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)轉(zhuǎn)型，半導(dǎo)體廠家會(huì)率先引領(lǐng)這一潮流。嵌入式系統(tǒng)業(yè)界應(yīng)充分關(guān)注半導(dǎo)體廠家轉(zhuǎn)型時(shí)期的技術(shù)動(dòng)向，即后技術(shù)時(shí)代的軟硬件平臺(tái)化的技術(shù)整合與數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)代的綜合化器件。例如，近期飛思卡爾推出的塔式模塊化開(kāi)發(fā)平臺(tái)與TI公司陸續(xù)推出的軟硬件集成化服務(wù)平臺(tái)，均體現(xiàn)了轉(zhuǎn)型時(shí)期半導(dǎo)體廠商的技術(shù)轉(zhuǎn)型。這種技術(shù)轉(zhuǎn)型為嵌入式系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)服務(wù)提供了最有力的技術(shù)支持。

4 從電表變遷看大數(shù)據(jù)的服務(wù)應(yīng)用

從電氣化時(shí)代開(kāi)始，就有了電氣用戶離散的電表計(jì)量數(shù)據(jù)。嵌入式系統(tǒng)誕生后，電表進(jìn)入數(shù)字化計(jì)量時(shí)代。隨著數(shù)字電表的升級(jí)換代與電表局域網(wǎng)的形成，有了小區(qū)自動(dòng)抄表系統(tǒng)；當(dāng)這些小區(qū)自動(dòng)抄表系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)相連，便進(jìn)入電表用戶的大數(shù)據(jù)時(shí)代。然而，當(dāng)通過(guò)國(guó)家電網(wǎng)以智能電表方式形成歸一化的智能電表網(wǎng)絡(luò)時(shí)，電表數(shù)據(jù)才真正進(jìn)入到大數(shù)據(jù)的社會(huì)服務(wù)時(shí)代。

4.1 從數(shù)字電表到智能電表

單片機(jī)基礎(chǔ)上的數(shù)字電表，可衍生出形形色的抄表系統(tǒng)，如樓宇抄表、小區(qū)抄表、集群抄表、自動(dòng)抄表等，隨時(shí)采集用戶的用電數(shù)據(jù)。然而，當(dāng)國(guó)家電網(wǎng)通過(guò)智能電網(wǎng)的電力光纖、電力線載波通信方式，將數(shù)字化電表構(gòu)建成一個(gè)統(tǒng)一的電表網(wǎng)絡(luò)時(shí)，便形成了電力企業(yè)歸一化的用戶網(wǎng)絡(luò)體系，并將數(shù)字電表升級(jí)成智能電表。數(shù)字電表與智能電表具有本質(zhì)相同的結(jié)構(gòu)體系（都是嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)）。從數(shù)字電表到智能電表，本質(zhì)上并不是電表硬件體系的變革，而是軟件基礎(chǔ)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(yīng)用能力。

4.2 智能電表的數(shù)據(jù)變革

從機(jī)械式電表的離散數(shù)據(jù)，到數(shù)字電表的數(shù)字化集群數(shù)據(jù)，完成了模擬數(shù)據(jù)到數(shù)字化數(shù)據(jù)的變革；數(shù)字電表的網(wǎng)絡(luò)接入，誕生了物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代電器用戶的大數(shù)據(jù)體系。由于雜亂的抄表系統(tǒng)，上傳數(shù)據(jù)的信息有限，以及非實(shí)時(shí)可靠的數(shù)據(jù)，難以形成用戶電表的大數(shù)據(jù)應(yīng)用。當(dāng)國(guó)家電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)歸一化的智能電表網(wǎng)絡(luò)體系后，通過(guò)國(guó)家電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集、集群、數(shù)據(jù)處理方式，保證了數(shù)據(jù)的統(tǒng)一、可靠與實(shí)時(shí)性要求。自上而下的數(shù)據(jù)管理，可以不斷擴(kuò)大數(shù)據(jù)的信息采集、信息處理、各種模式下的用電管理能力，以實(shí)現(xiàn)各種用電設(shè)備及用電系統(tǒng)的智能化監(jiān)控系統(tǒng)。

4.3 智能電表的大數(shù)據(jù)應(yīng)用前景

智能電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)性（國(guó)家堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)的工程建設(shè)）、信息通道的可管理性（點(diǎn)到點(diǎn)的有線傳輸）、企業(yè)營(yíng)利模式的單一性，使得未來(lái)國(guó)家智能電網(wǎng)智能電表工程的影響力，堪比智能手機(jī)時(shí)代的社會(huì)效應(yīng)。隨著智能電表走進(jìn)千家萬(wàn)戶，國(guó)家電網(wǎng)將會(huì)使家用電器納入到最廣泛的城市網(wǎng)絡(luò)體系中，使智能家居走出目前的尷尬境地；雙向、高速、實(shí)時(shí)的信息交互與末端用電設(shè)備的電力控制，將使智能電表走出單純的收費(fèi)時(shí)代，走上用電管理、統(tǒng)計(jì)、決策、調(diào)度，以及電器終端集中管控的時(shí)代。政府部分可通過(guò)智能電表的大數(shù)據(jù)了解城市用電負(fù)荷、區(qū)域用電負(fù)荷、城市住房信息（空置率／竣工率／動(dòng)態(tài)居住信息等）。未來(lái)，智能電表有可能成為政府的公共信息平臺(tái)、管控平臺(tái)，以及家庭可靠的信息互動(dòng)、家居管理智力平臺(tái)。

結(jié) 語(yǔ)

嵌入式系統(tǒng)的普遍網(wǎng)絡(luò)接入，將互聯(lián)網(wǎng)變革到物聯(lián)網(wǎng)；與此同時(shí)，將互聯(lián)網(wǎng)虛擬世界海量的人文數(shù)據(jù)推進(jìn)到真實(shí)世界與虛擬世界相互交融的大數(shù)據(jù)時(shí)代。信息大數(shù)據(jù)時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)將走出產(chǎn)品與技術(shù)研發(fā)的獨(dú)立領(lǐng)域，用產(chǎn)品與技術(shù)為社會(huì)服務(wù)。在這個(gè)轉(zhuǎn)型時(shí)代，信息智能電網(wǎng)將給嵌入式系統(tǒng)帶來(lái)巨大的機(jī)遇，信息智能電網(wǎng)智能化終端接入是嵌入式系統(tǒng)未來(lái)的重要發(fā)展舞臺(tái)。國(guó)家電網(wǎng)推行的智能電表工程，將是嵌入式系統(tǒng)的最佳切入點(diǎn)。

［1] 黃河燕.大數(shù)據(jù)時(shí)代計(jì)算機(jī)專業(yè)研討［J] .中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2012（12）.

［2] 王衛(wèi)忠.用于電力營(yíng)銷的互動(dòng)化智能終端設(shè)計(jì)［J] .單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013（5）.

［3] 何立民.IT時(shí)代的第三種文化產(chǎn)業(yè)機(jī)遇［J] .單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013（5）.

［4] 劉云浩.群智感知計(jì)算［J] .中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2012（10）.

［5] CCF大數(shù)據(jù)專家委員會(huì).大數(shù)據(jù)熱點(diǎn)問(wèn)題與2013年發(fā)展趨勢(shì)分析［J] .中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)通訊，2012（12）.