Algorithmic design and software for a microcontroller-based wearable biomedical sensor monitoring system via ESP-NOW protocol

Abstract

This paper presents a hardware-software implementation of a microprocessor-based distributed system for monitoring human motion biomechanics using wireless communication for real-time data transmission. The main objective of the work is to develop an energy-efficient, reliable, and low-cost system capable of autonomously collecting, transmitting, synchronizing, and storing data from inertial sensors in real time. The proposed approach is based on the use of ESP32 microcontrollers, which support direct data exchange via the ESP-NOW protocol. This protocol enables high-speed, low-latency data communication without connection establishment, ensuring fast response and reduced power consumption. A functional system prototype has been developed, consisting of a base station and a set of sensor modules powered by standalone battery sources. The study introduces a specialized algorithm for synchronized data transmission, which includes packetization of inertial measurement unit (IMU) readings and data caching using a circular buffer. This significantly reduces packet loss even under interference and high channel load conditions. The paper describes the loss-handling mechanism, retransmission process, and methods for clock synchronization and maintaining continuous packet numbering in the event of a module or base station restart. A series of tests were conducted in various operating modes, with different numbers of modules, at different distances, and under obstacle-induced interference. У статті представлено програмно-апаратну реалізацію мікропроцесорної розподіленої системи моніторингу біомеханіки руху людини із застосуванням бездротового зв’язку для оперативної передачі даних. Основною метою роботи є створення енергоефективної, надійної та недорогої системи, здатної автономне збирати, передавати, синхронізувати та зберігати дані з інерційних сенсорів у режимі реального часу. Запропонований підхід базується на використанні мікроконтролерів ESP32, які можуть здійснювати прямий обмін даними за допомогою протоколу ESP-NOW. Він забезпечує високошвидкісний та оперативний обмін даними без встановлення з’єднання, низькі затримки, високу швидкодію та зменшене енергоспоживання. Створено функціональний прототип системи, що включає базову станцію та набір сенсорних модулів з автономним живленням від акумулятора. У роботі розроблено спеціалізований алгоритм синхронізованої передачі даних, що включає пакетування відліків інерційних вимірювальних вузлів (IMU) та кешування інформації з використанням циклічної черги. Це дозволяє суттєво зменшити втрати пакетів навіть в умовах перешкод та високого навантаження на канал. Описано механізм обробки втрат, повторного надсилання даних, а також способи синхронізації годинників і підтримки неперервної нумерації пакетів після перезавантаження модулів чи базової станції. Проведено серію тестувань у різних режимах роботи, з різною кількістю модулів, на різних відстанях та в умовах із перешкодами.