Heart Rate in Athletes and Wireless Transmission Using ESP-NOW

Abstract

Technologies developed to prepare training programs with scientific approaches and monitor athlete exercise data are among today's popular topics. Appropriate load monitoring helps determine an athlete's fitness for the training program and minimize overload and injury risk. In this context, tracking HR in sports is the cheapest, time-efficient, and easiest non-invasive method to monitor the athlete's condition. Various methods are used to obtain HR from the athlete, but ECG-based belts, which are directly wearable on the chest, give the most accurate result. The data obtained by this method are usually monitored with a watch or similar apparatus on the arm of the athlete, and remote monitoring cannot be performed directly. As a result of this study, the data obtained from the ECG-based chest strap can be transferred to a remote receiver using ESP-NOW communication protocol, and instant HR changes of the athletes can be observed. Some of the important advantages of this protocol are that it uses the Wi- Fi hardware of ESP32 without the need for additional requirements such as a modem, it is fast, and low power consumption. Therefore, an external RF module's extra cost and size are avoided to have a minimal cost and size while keeping the system performance high.

Keywords

• Heart rate
• Wireless communication
• ESP-NOW
• Wearable devices

SPORCULARIN KALP ATIM HIZININ ESP-NOW KULLANILARAK KABLOSUZ İLETİMİ

Abstract

Bilimsel yaklaşımlarla antrenman programları hazırlamak ve sporcu egzersiz verilerini izlemek için geliştirilen teknolojiler günümüzün popüler konuları arasında yer almaktadır. Uygun yük izleme, bir sporcunun antrenman programına uygunluğunu belirlemeye, aşırı yüklenme ve yaralanma riskini en aza indirmeye yardımcı olmaktadır. Bu bağlamda, sporda kalp atış hızı takibi, sporcunun durumunu izlemek için invazif olmayan, zaman açısından verimli ve düşük maliyetli en kolay yöntem olarak karşımıza çıkmaktadır. Sporcudan kalp atım hızı bilgisini almak için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır, ancak en doğru sonucu doğrudan göğüs üzerine takılan EKG tabanlı kemerler vermektedir. Bu yöntem ile elde edilen veriler genellikle sporcunun kolunda bulunan saat veya benzeri aparatlar yardımı ile takip edilmekte, uzaktan takibi doğrudan yapılamamaktadır. Bu çalışma sonucunda, EKG tabanlı göğüs kemerinden alınan veriler, ESP-NOW iletişim protokolü ile uzakta bulunan antrenörlere aktarılarak sporcuların anlık kalp atım hızı değişimleri gözlenebilecektir. Bu iletişim protokolünün sunduğu bazı önemli avantajlar ise, ESP32 içinde bulunan Wi-Fi donanımını modem gibi ekstra gereksinimlere ihtiyaç duymadan kullanması, hızlı ve düşük güç tüketimine sahip olmasıdır. Dolayısıyla, harici bir RF modülünün neden olacağı ekstra maliyet ve boyuttan kaçınılarak yüksek performanslı bir sistem ucuz ve küçük bir boyutta geliştirilebilmiştir.

Keywords

• Kalp atım hızı
• Kablosuz haberleşme
• ESP-NOW
• Giyilebilir Cihazlar

References

1. Achten, J., Jeukendrup, A.E., 2003, “Heart rate monitoring: applications and limitations”, Sports Medicine, 33(7), 517–538. Doi: 10.2165/00007256-200333070-00004.
2. Almeida, M., Bottino, A., Ramos, P., Araujo C.G., 2019, “Measuring heart rate during exercise: from artery palpation to monitors and apps” International Journal of Cardiovascular Sciences, 32(4), 396-407. Doi: 10.5935/2359-4802.2019006.
3. Bizati, Ö., 2013, Profesyonel futbolcuların fiziksel ve fizyolojik değerlendirmelerinde kullanılan farklı yöntemlerin karşılaştırılması, Doktora Tezi, Ankara Üniversitesi Sağlık Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
4. Borresen, J., Lambert, M.I., 2008, “Quantifying training load: a comparison of subjective and objective methods” International journal sports physiology performance, 3, 16-30. Doi: 10.1123/ijspp.3.1.16.
5. Dündar, Ö.M., 2020, Sporcunun Kalp Atım Hızının Ölçülmesi ve Küresel Konum Belirleme (GPS) Sistemi ile Hız Performansının Gerçek Zamanlı Tespiti, Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana.
6. ESP-NOW, ESP-IDF Programming Guide v4.0-dev-1191, pp. 2-4, 2019.
7. Gıllınov, S., Etıwy, M., Wang, R., Blackburn, G., Phelan, D., Gıllınov, M., Houghtalıng, P., Javadıkasgarı, H., Desaı, MY, 2017, “Variable Accuracy of Wearable Heart Rate Monitors during Aerobic Exercise” Med. Sci. Sports Exerc., Vol. 49, No. 8, pp. 1697–1703.
8. Hettiarachchi, I.T., Hanoun, S., Nahavandi, D., Nahavandi, S., 2019, “Validation of Polar OH1 optical heart rate sensor for moderate and high intensity physical activities” Plos one, 14(5), 1-13. Doi: 10.1371/journal.pone.0217288.

9. Hoang, T.N., Van, S.T., Nguyen, B.D., 2019, “ESP-NOW based decentralized low cost voice communication systems for buildings” International Symposium on Electrical and Electronics Engineering (ISEE), Vietnam, 108-112. Doi: 10.1109/ISEE2.2019.8921062.
10. Hopkins, W.G., 1991, “Quantification of training in competitive sports, Methods and applications” Sports Medicine, 12, 161–183, Doi: 10.2165/00007256-199112030-00003.
11. Khanchuea, K., Siripokarpirom, R., 2019, “A Multi-Protocol IoT Gateway and WiFi/BLE Sensor Nodes for Smart Home and Building Automation: Design and Implementation”, 10th International Conference of Information and Communication Technology for Embedded Systems (IC-ICTES), 1–6.
12. Laukkanen, R., Virtanen, P.K., 2011, “Heart rate monitors: State of the art”, Journal of Sports Sciences, Doi: 10.1080/026404198366920.
13. Sartor, F., Gelissen, J., Dinther, R.V., Roovers, D., Papini, G.B., Coppola, G., 2018, “Wristworn optical and chest strap heart rate comparison in a heterogeneous sample of healthy individuals and in coronary artery disease patients”, BMC Sports Science, Medicine and Rehabilitation, 10, 10.
14. Spierer, D.K., Rosen, Z., Litman, L.L., Fujii, K., 2015, “Validation of photoplethysmography as a method to detect heart rate during rest and exercise”, Journal of Medical Engineering & Technology, 39(5), 264-271. Doi: 10.3109/03091902.2015.1047536.
15. Wang, R., Blackburn, G., Desai, M., Phelan, D., Gillinov, L., Houghtaling, P., Gillinov, M., 2017, “Accuracy of Wrist-Worn Heart Rate Monitors”, JAMA Cardiology, 2(1), 104. Doi:10.1001/jamacardio.2016.3340.
16. Yukhimets, D., Sych, A., Sakhnenko, A., 2020, “Designing a Method for Constructing Distributed Open ACS Based on the ESP-NOW Wireless Protocol”, 2020 International Russian Automation Conference (RusAutoCon), Sochi, Russia, pp. 642-647, Doi: 10.1109/RusAutoCon49822.2020.9208135.