Du hast vollkommen Recht, wenn der Fokus auf kompaktheit liegt ist das naürlich wichtig.
Ich meinte eigentlich ob Du zu den Prozessorboard's (Header Board oder dein Board aus dem ersten Versuch) ein paar Hinweise geben kannst.
Die Sensorik hätte ich da. Mir fehlt sozusagen der 32-Bit Prozessor und ein passendes Board (Spannungsversorgung, quarz und viel Pin's raus)
Vielleicht sowas wie Du im Bild 1 bei deinem ersten Versuch.

Wenn du tiefer in die Software einsteigen willst warum brauchst du da ne neue/andere Elektronik? Kannst du das nicht auf der Arduino-Basis machen? Wo ist da für die die Einschränkung?
Tiefer in die ST32 SW-Entwicklung einsteigen.