A systematic approach to selecting architectural patterns for IoT development

Abstract

The increasing complexity and scale of Internet of Things (IoT) systems, especially within industrial environments, pose significant challenges in system design, including issues of security, interoperability, scalability, and efficient resource utilization. With a wide array of architectural patterns available to address these challenges, developers often struggle to select the most suitable solutions. This paper presents a systematic methodology for evaluating and choosingthe best combinations of architectural design patterns tailored for various IoT deployment scenarios. The approach begins by analyzing existing IoT design patterns and modeling their key operational characteristics. A structured template is used to describe each pattern, facilitating consistency and comparability. These descriptions are evaluated using a quality model comprising criteria such as reliability, safety, usability, responsiveness, adaptability, durability, interoperability, and security. A weighted-sum model, with adjustable criterion weights, transforms qualitative assessments into quantitative aggregatedscores. This enables objective ranking of patterns and supports defensible architectural decision-making. The methodology is validated through multiple case studies,including general-purpose IoT systems (e.g., smart homes) and Industry 4.0 environments. In each case, patterns are selected based on system-specific priorities. Notably, high-performing patterns such as Cloud-on-the-Loop, Closed-Loop Control, and Role-Based Access Control align well with known best practices and demonstrate the method’s practical applicability. Sensitivity analysis further confirms the approach's adaptability, illustrating how changes in evaluation weights significantly influence the resulting pattern rankings. This systematic methodology improves the reproducibility, transparency, and flexibility of IoT architecture design processes. It empowers developers to tailor architectural solutions to specific domain needs while maintaining alignment with industry standards. Future research will explore extending the methodology to emerging IoT sectors, constructing specialized pattern catalogs, and integrating the selection framework into automated design tools to further streamline the development of IoT systems.

Зростання складності і масштабу систем Інтернету речей (IoT), особливо в промислових середовищах, створює значні виклики перед проєктуванням систем, включаючи питання безпеки, сумісності, масштабованості та ефективного використання ресурсів. Маючи у своєму розпорядженні широкий спектр архітектурних шаблонів для вирішення цих завдань, розробники часто постають перед труднощами при виборі найбільш придатних рішень. У цій статті представлена систематична методологія оцінки та вибору найкращих комбінацій архітектурних шаблонів проєктування, адаптованих до різних сценаріїв розгортання IoT. Підхід починається з аналізу наявних шаблонів проєктування IoT та моделювання їхніх ключових операційних характеристик. Для опису кожного шаблону використовується структурований шаблон, що сприяє узгодженості та порівнянності. Ці описи оцінюються за допомогою моделі якості, що включає такі критерії, як надійність, безпека, зручність використання, швидкість реагування, адаптивність, довговічність, сумісність та безпека. Модель зваженої суми з регульованими вагами критеріїв перетворює якісні оцінки на кількісні комплексні бали. Це дозволяє об'єктивно ранжувати шаблони та підтримує обґрунтоване прийняття архітектурних рішень. Методологія перевірена на основі численних прикладів, включаючи системи IoT загального призначення (наприклад, розумні будинки) та середовища Industry 4.0. У кожному випадку шаблони обираються на основі пріоритетів, специфічних для системи. Варто зазначити, що високопродуктивні шаблони, такі як Cloud-on-the-Loop, Closed-Loop Control та Role-Based Access Control, добре узгоджуються з відомими найкращими практиками та демонструють практичну застосовність методу. Аналіз чутливості додатково підтверджує адаптивність підходу, ілюструючи, як зміни в оцінках ваг значно впливають на кінцевий рейтинг шаблонів. Ця систематична методологія покращує відтворюваність, прозорість та гнучкість процесів проєктування архітектури IoT. Вона дає розробникам можливість адаптувати архітектурні рішення до конкретних потреб галузі, зберігаючи при цьому відповідність галузевим стандартам. Майбутні дослідження будуть спрямовані на розширення методології на нові сектори IoT, створення спеціалізованих каталогів шаблонів та інтеграцію системи вибору в автоматизовані інструменти проєктування для подальшої оптимізації розробки систем IoT.